El diseño de un sistema neumático de transporte y alimentación en un molino clasificador de aire para carbonato de calcio en polvo en operaciones de compuestos plásticos requiere un conocimiento exhaustivo del comportamiento del polvo, las propiedades de flujo y los equipos de proceso. Un sistema mal diseñado puede provocar acumulaciones de material, velocidades de alimentación inconsistentes y problemas de calidad del producto.
Este artículo presenta una guía técnica completa sobre cómo diseñar un sistema de transporte y alimentación eficaz que se integre perfectamente con equipos como un molino clasificador de aire, optimizando el rendimiento, la eficiencia y la consistencia del producto.
¿Por qué carbonato de calcio?
El carbonato de calcio es uno de los rellenos minerales más utilizados en la industria del plástico, valorado por su versatilidad, rentabilidad y facilidad de procesamiento. Es compatible con diversas resinas poliméricas y puede molerse finamente hasta alcanzar el tamaño de partícula deseado para un rendimiento óptimo. Como aditivo en compuestos plásticos, el carbonato de calcio reduce la energía superficial, mejora la opacidad y el brillo, y contribuye a un acabado superficial más liso. Cuando el tamaño de partícula se controla cuidadosamente, también puede mejorar la resistencia al impacto y el módulo de flexión (rigidez).
El carbonato de calcio es adecuado para una amplia gama de termoplásticos. En los compuestos de polipropileno, aumenta la dureza, crucial para aplicaciones de alta temperatura. En el PVC, se utiliza tanto en productos flexibles (p. ej., tuberías, aislamiento de cables y alambres, guantes de látex, bolsas de basura) como en aplicaciones rígidas (p. ej., tuberías extruidas, tuberías de agua, perfiles de puertas y ventanas).
Sistemas de transporte neumático para carbonato de calcio
La forma de las partículas, el tamaño (relación de aspecto), la distribución del tamaño, así como la rugosidad de la superficie, la dureza (resistencia a la abrasión) y la densidad aparente de los sólidos desempeñan un papel fundamental en el diseño de sistemas de alimentación y transporte neumático.
En el caso del carbonato de calcio, sus propiedades físicas pueden variar considerablemente según la fuente y el proceso de fabricación. Como se muestra en la Figura 1, el análisis granulométrico revela diferencias notables en la forma, el tamaño y la distribución de las partículas entre dos muestras distintas.
Figura 1
Debido a las complejas interacciones entre partículas (como se ilustra en la Figura 2), establecer una correlación directa entre las propiedades a nivel de partícula de un relleno y su fluidez a granel es un desafío. Por lo tanto, los sistemas de transporte neumático no pueden estandarizarse ni adquirirse listos para usar; deben diseñarse a medida para cada aplicación específica. Las variaciones en las características a granel impactan directamente en el diseño del sistema y la selección del equipo, por lo que las pruebas de laboratorio son esenciales para evaluar con precisión las propiedades del material y su comportamiento de flujo.
Interacciones de partículas
Tres tipos clave de interacciones influyen en el comportamiento del flujo de rellenos minerales en sistemas de transporte y alimentación neumáticos: interacciones partícula-partícula, partícula-equipo y partícula-ambiente.
Interacciones entre partículas
Estas interacciones están regidas por la composición química y las propiedades físicas del relleno, independientemente del comportamiento en masa.
Las principales fuerzas en juego son las fuerzas electrostáticas y las fuerzas de van der Waals entre partículas. Las fuerzas de van der Waals se debilitan al aumentar la separación de partículas, lo que significa que la adición de partículas más finas a los polvos cohesivos puede, en ocasiones, mejorar la fluidez.
Otras fuerzas relevantes incluyen: Fuerzas capilares, que surgen de los puentes líquidos cuando hay vapor de agua en el gas circundante. Fuerzas de sinterización, que causan puentes sólidos debido a la migración de material por difusión o flujo viscoso. Estas fuerzas entre partículas pueden aumentar la cohesión, lo que promueve la aglomeración y reduce la eficiencia del flujo.
Interacciones entre partículas y equipos
El movimiento de partículas sólidas a través de tolvas, tuberías u otros contenedores depende en gran medida de dos propiedades del material:
Fricción de pared, que describe cómo las partículas se deslizan contra las superficies del equipo. Resistencia al corte, que se refiere a la resistencia de una masa de polvo compactada a la deformación o al movimiento interno de partículas. Ambas propiedades son cruciales para un rendimiento fiable de la alimentación y el transporte.
Interacciones partícula-ambiente
Factores externos, como la temperatura, la humedad relativa, la vibración, la gravedad y el flujo de aire, también influyen en el flujo del polvo. La humedad influye en las fuerzas capilares mediante la adsorción de humedad y la formación de puentes líquidos, especialmente en materiales higroscópicos.
La temperatura afecta la cristalinidad y puede promover la sinterización, alterando la estructura y la fluidez de las partículas. La presión aumenta el contacto entre partículas, lo que resulta en una mayor densidad de empaquetamiento y una mayor adhesión. En conjunto, estas condiciones ambientales determinan las características generales de flujo del material a granel.
Sistemas de transporte neumático para carbonato de calcio
Un sistema de transporte neumático normalmente consta de cinco componentes básicos: una unidad de potencia, una línea de transporte, una unidad de dosificación, una unidad de separación de material y gas y un sistema de control.
Equipos de dosificación
Al seleccionar una unidad de dosificación, es fundamental considerar que ciertas partículas de carbonato de calcio son ligeras y de fácil flujo, lo que puede provocar una entrada excesiva de material en la línea de transporte. Para controlar la velocidad de alimentación, se suele utilizar una válvula rotatoria para dosificar el material en el sistema de transporte neumático, ya sea que funcione a presión o al vacío.
Sin embargo, debido a la variable cohesión del carbonato de calcio, puede producirse acumulación de material en los álabes de una válvula rotativa de descarga. En estos casos, se recomienda una válvula rotativa de soplado. Este tipo de válvula utiliza chorros de aire para limpiar el material de los álabes a medida que gira, evitando así la acumulación. Además, la instalación de un cono fluidizador en el fondo del silo de alimentación puede mejorar aún más el control del flujo al promover una descarga de material uniforme.
Líneas transportadoras
El polvo de carbonato de calcio puede causar numerosos problemas en los sistemas transportadores de los molinos clasificadores de aire. Estos problemas incluyen la obstrucción del material en la tolva, la inundación de la línea transportadora, su acumulación en su interior y la obstrucción de las mangas filtrantes o los silos de la unidad receptora.
Los tubos rígidos pueden utilizarse como líneas transportadoras para carbonato de calcio tanto altamente fluidizado como ligeramente pegajoso. Sin embargo, si el carbonato de calcio tiende a adherirse al interior de la línea transportadora, considere el uso de tubos flexibles. Su flexibilidad previene la acumulación en las paredes de la tubería.
En sistemas de vacío continuo, el uso de válvulas de descarga es una buena manera de garantizar la limpieza de la línea transportadora entre transferencias. Primero, cierre la válvula de cierre en el lado de alimentación del sistema de vacío para aumentar la presión de aire en la línea transportadora. Luego, abra la válvula; la onda de presión resultante ayudará a eliminar cualquier material adherido a las superficies internas de la línea transportadora.
Unidades de separación de gases de materiales
El carbonato de calcio tiende a adherirse a los filtros, lo que provoca obstrucciones y reduce su eficiencia. Para el carbonato de calcio pegajoso, el uso de bolsas filtrantes en lugar de cartuchos plisados puede ayudar a prevenir su adhesión. En casos graves, se recomienda el uso de medios filtrantes de PTFE. Algunos carbonatos de calcio pueden requerir una descarga más pronunciada y cónica para facilitar la descarga completa de la tolva. Los auxiliares de flujo, como vibradores o almohadillas fluidizadoras dentro de la tolva receptora, suelen garantizar una descarga más rápida y completa.
Alimentación de carbonato de calcio
Dos variables principales determinan la selección de un sistema de alimentación de molino clasificador de aire para cada muestra de carbonato de calcio: las características del relleno mineral (por ejemplo, tamaño y forma de las partículas, permeabilidad al gas, densidad aparente y ángulo de reposo) y la velocidad de alimentación deseada.
Los alimentadores por pérdida de peso (LIW) ofrecen un manejo de material completamente cerrado, minimizando el polvo y garantizando velocidades de alimentación precisas para mantener la calidad del producto final. Estos alimentadores están disponibles en diversas configuraciones, lo que permite personalizar el tamaño de la tolva, los mecanismos de alimentación y los sistemas de pesaje para adaptarse a las características específicas del material, el comportamiento del flujo y las velocidades de alimentación requeridas.
Medición volumétrica vs. medición gravimétrica
La mayoría de los alimentadores se pueden clasificar como volumétricos o gravimétricos.
Los alimentadores volumétricos suministran un volumen constante de material por unidad de tiempo y ofrecen la solución de alimentación con menor inversión. Sin embargo, los alimentadores volumétricos de tornillo carecen de capacidad de detección y no pueden ajustarse a los cambios de densidad aparente. Por lo tanto, estos alimentadores son más adecuados para materiales de flujo relativamente libre con densidad aparente estable (p. ej., pellets) y aplicaciones donde la precisión de la alimentación no es crucial.
Los alimentadores gravimétricos suministran un peso constante de material por unidad de tiempo. Estos alimentadores no solo monitorean el proceso de alimentación, sino que también cuentan con un circuito de retroalimentación que mide el peso y la velocidad para determinar el peso real alimentado por segundo.
Selección de tolva
Una vez que se han determinado el tamaño y el tipo de alimentador, se debe seleccionar una tolva de la forma y el tamaño adecuados para contener el material necesario para las operaciones continuas de compuesto plástico.
Las tolvas están disponibles en formas cilíndricas, asimétricas y simétricas, con capacidades que van desde un litro hasta varios cientos de litros. El tamaño de la tolva del alimentador depende de las necesidades de llenado del alimentador y del espacio disponible. Normalmente, si se rellena la tolva 12 veces por hora, el nivel máximo de llenado debería ser de 80% del volumen de la tolva. El tamaño de la tolva no debe ser excesivo debido al incremento en el costo ni a las necesidades de espacio. La interacción entre partículas puede aumentar la compactación del material. Por lo tanto, se puede utilizar el siguiente método de cálculo teórico para obtener una estimación preliminar del tamaño de la tolva: Capacidad de la tolva = caudal / (densidad aparente × 0,8 × 12).
El carbonato de calcio precipitado en la tolva tiende a compactarse, lo que puede provocar la formación de agujeros de rata y obstrucciones.
Equipo de alimentación
El equipo de alimentación utilizado varía dependiendo del material a alimentar.
Los alimentadores de un solo tornillo se pueden utilizar para polvos y gránulos de fácil flujo. Los alimentadores de doble tornillo para polvos de difícil flujo y las bandejas vibratorias para materiales fibrosos y friables.
Diseño de doble tornillo
Para obtener carbonato de calcio fluido, basta con un alimentador de un solo tornillo. Generalmente, se recomienda un alimentador de doble tornillo para obtener resultados más fiables. Se pueden utilizar diversos tipos de tornillo, según el caudal y las características del relleno mineral. Los perfiles de tornillo más comunes son el cóncavo, el de taladro, el espiral y el de doble tornillo. El propósito de un tornillo es alimentar uniformemente grandes cantidades de sólidos al proceso de composición de plásticos. Estos tornillos también pueden bloquear el flujo de material cuando el alimentador de tornillo se detiene, impidiendo una gran entrada de sólidos fluidizados.
El carbonato de calcio también tiende a compactarse en superficies metálicas, como los tornillos alimentadores. Para solucionar esto, se utilizan dos tornillos corrotativos engranados con funciones de autolimpieza para garantizar superficies limpias y un entorno libre de acumulaciones.
Básculas de puente
Los sistemas de pesaje garantizan una alimentación constante y controlada al molino clasificador. Las opciones varían desde básculas de plataforma de pequeña capacidad hasta grandes sistemas de suspensión de tres puntos. La integración con los alimentadores permite un control preciso de la velocidad de alimentación y garantiza la calidad del producto final.
Conclusión
Desde el comportamiento de las partículas hasta el diseño de los equipos, el transporte y la alimentación de carbonato de calcio en polvo a un molino clasificador de aire requieren una cuidadosa consideración de la ciencia de los materiales y la ingeniería mecánica. Al optimizar cada componente, como las líneas de transporte, los alimentadores, las tolvas y los sistemas de pesaje, se garantiza una alta consistencia del producto, se minimizan los tiempos de inactividad y se optimiza la capacidad de llenado.
Acerca de EPIC Powder Machinery
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