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Operaciones Unitarias I

Unidad Temática III Separación de Sólidos por Tamizado.

Año 2009

Tamizado El objetivo de la operación unitaria de tamizado es separar una alimentación que contiene una mezcla de partículas sólidas de

varios

tamaños

en dos

o

más

fracciones. Cualquiera de ellas, o todas, puede ser el producto.

Tamizado El tamizado es un método de separación de partículas basado exclusivamente en el tamaño de las mismas. En el tamizado industrial, los sólidos se colocan sobre la superficie del tamiz. Las partículas de menor tamaño, o finos, pasan a través de las aberturas del tamiz; mientras que las de mayor tamaño, o colas, no pasan.

Tamizado Los sólidos particulados tal como se encuentran en la naturaleza o como se los obtienen a partir de procesos industriales, están formados por una amplia gama de tamaños. Un solo tamiz puede realizar separación en dos fracciones.

una

Tamizado Se les llama fracciones no clasificadas, ya que aunque se conozca el límite superior o inferior de los tamaños de partícula de cada una de las fracciones, no se conoce el otro límite. El material que se hace pasar a través de una serie de tamices de diferentes tamaños se separa en fracciones clasificadas por tamaños, fracciones cuyas partículas se conocen por su tamaño máximo y mínimo.

Objetivos Objetivos de la Separación de Sólidos Particulados por su tamaño: Debido al uso final específico de cada uno de esos materiales se hace necesaria su clasificación por rangos más estrechos para cumplir con ciertas especificaciones técnicas exigidas por los equipos ó procesos en los cuáles intervienen o para agregarle valor al producto obtenido, como por ejemplo las harinas o sémolas.

Objetivos Mientras mas estrecho sea el rango de tamaño de un producto, es decir cuanto mas homogéneo sea dicho producto, tiende a valorizarse más que un producto con una distribución de tamaños muy amplia. El tamaño de partícula, para muchos equipos o procesos es una variable fundamental, para no obstruir o dañar el equipo por ser de un tamaño demasiado grande o que al ser demasiado pequeño se pierda por arrastre neumático.

Tipos de Tamizados

Vía Seca Tipos de Tamizado Vía Húmeda

Tipos de Tamizados Tamizado por vía seca El tamizado en seco se aplica a materiales que contienen poca humedad natural o que fueron desecados previamente. Tamizado por vía húmeda El tamizado en húmedo se efectúa con adición de líquido al material en tratamiento con el fin de que el líquido arrastre las partículas mas finas a través del tamiz.

Tipos de Tamizados Si bien el tamizado por vía húmeda es mas eficiente, solo en ocasiones, el tamizado se realiza en húmedo, porque si el producto se utiliza o comercializa en forma de polvo seco, hay que secarlo posteriormente al tamizado, con lo cual deja de ser conveniente. Por lo expuesto anteriormente lo más frecuente es operar en seco.

Tamices Industriales Los tamices industriales se construyen con tela metálica, telas de seda o plástico, barras metálicas, placas metálicas perforadas, o alambres dispuestos en sección transversal triangular.

Se utilizan diferentes metales, siendo el acero al carbón y el acero inoxidable los más frecuentes.

Tamices Industriales Los intervalos de malla de los tamaños de los tamices estándar están comprendidos entre 10 cm y 400 mallas, y se dispone de tamices comerciales de tela metálica con aberturas tan pequeñas como 1 μm. Sin embargo, los tamices más finos, aproximadamente de 150 mallas, no se utilizan habitualmente debido a que con partículas muy finas generalmente resultan más económicos otros métodos de separación.

Equipos de Tamizado Existe una gran variedad de tamices para distintas finalidades. En la mayoría de los tamices, las partículas pasan a través de las aberturas por gravedad; pero en algunos diseños las partículas son forzadas a través del tamiz por medio de un cepillo o mediante fuerza centrífuga.

Equipos de Tamizado Podemos clasificar a los tamices de acuerdo al movimiento de la superficie del tamiz en: Parrilla o Barras Estacionarias Fija Tela Metálica Estacionaria Levas

Movimiento de la Superficie Tamizante

Vibratorios

Excéntrica y Volante

Oscilantes

Electroimán

Móvil Vaivén Rotativos

Solo se considerarán los tipos más representativos.

Tamiz Fijo La superficie tamizadora está quieta. Pertenecen a este grupo: Las

parrillas inclinadas.

La separación entre las barras es de 50 a 200 mm. Los

tamices de tela metálica estacionaria con inclinación. Separan partículas entre 12 a 100 mm.

Tamiz Fijo Hay un grado de inclinación óptimo para cada material (según el tamaño de granos y las propiedades superficiales del mismo) con el que se obtiene un máximo rendimiento en la separación, definida también la velocidad de alimentación o carga del tamiz.

Tamiz Fijo Pertenece

también a esta tamizador de tornillos sin fin.

categoría

F

B

D

el

Tamiz Fijo Los tamices fijos sólo resultan efectivos cuando operan con sólidos muy gruesos que fluyen libremente y contienen poca cantidad de partículas finas.

Tamiz Móvil Las partículas más gruesas pasan con facilidad a través de aberturas grandes en una superficie estacionaria, pero las finas precisan de alguna forma de agitación, tales como: Sacudidas. Rotación

.

Vibración

mecánica.

Vibración

eléctrica.

Movimientos Típicos de Tamices

Movimientos de tamices, a) giro en un plano horizontal; b) giro en un plano vertical; c) giro en un extremo y sacudida en otro (de vaivén); d) Sacudida (Oscilante); e) vibración mecánica; f) vibración eléctrica.

Tamiz Móvil En los tamices móviles el sólido depositado sobre la superficie tamizadora también se mueve, pero con un cierto retrazo, a causa de la inercia. Se pueden distinguir varias clases, según el tipo de movimiento que se dé a la superficie tamizadora.

Superficie Tamizadora Vibratoria Se utilizan para grandes capacidades. El movimiento vibratorio se le comunica al tamiz por medio de levas, con una excéntrica y un volante desequilibrado, o mediante un electroimán. El tamiz puede poseer una sola superficie tamizante o llevar 2 o 3 tamices en serie, casi nunca se utilizan más de tres tamices en los sistemas vibratorios.

Superficie Tamizadora Vibratoria Los tamices que vibran con rapidez y pequeña amplitud se obstruyen con menos facilidad que los tamices giratorios. Las vibraciones se generan de forma mecánica o eléctrica.

Vibraciones Las vibraciones mecánicas se transmiten desde excéntricas de alta velocidad hasta la carcasa de la unidad. Las vibraciones eléctricas generadas por grandes solenoides se transmiten a la carcasa o directamente a los tamices. Son comunes las vibraciones comprendidas entre 1.800 y 3.600 por minuto. Un tamiz de 1,2 a 3 m requiere de alrededor de 4 hp (3 kW).

Tamiz Vibrador Electromagnético

Tamiz de Rotación Horizontal Se caracterizan por una velocidad relativamente pequeña (300 a 400 oscilaciones por minuto) en un plano esencialmente paralelo al del tamiz. Constituye el tipo más barato de tamiz que ofrecen los constructores, y se aplica para trabajos intermitentes o discontinuos.

Tamiz de Rotación Horizontal Con frecuencia la superficie de tamizado es doble, entre los dos tamices se dispone de bolas de goma que se mantienen en los compartimentos separados. Durante el funcionamiento del tamiz, las bolas chocan contra la superficie del tamiz evitando la obstrucción de las aberturas de la malla.

Tamiz de Rotación Horizontal Se propulsan mediante una excéntrica montada

en el lado de la alimentación. El movimiento varía desde el giratorio, en el extremo de alimentación, hasta el de vaivén en el extremo opuesto o de descarga. Este aparato se usa mucho para el tamizado de

productos químicos secos.

Tamiz de Rotación Horizontal Por lo general los tamices más finos rotan en el extremo de la entrada de la alimentación en un plano horizontal. El extremo de descarga es reciprocante pero no gira. Esta combinación de movimientos estratifica la alimentación, de tal forma que las partículas descienden sobre la superficie del tamiz, donde son presionadas por las partículas más gruesas situadas encima.

Tamiz de Rotación Horizontal

Criba oscilante con bolas limpiadoras de tamices.

Tamizado

Fin de Presentación

Tamiz de Rotación Vertical Cuando dos tamices, uno sobre el otro, están sostenidos en una carcasa inclinada en un ángulo comprendido entre 16° y 30° con la horizontal. La mezcla de alimentación es suspendida en el tamiz superior cerca de su punto más alto. La carcasa y los tamices giran en un plano vertical alrededor de un eje horizontal por una excéntrica que está situada a la mitad entre el punto de alimentación y la descarga.

Tamiz de Rotación Vertical La velocidad de rotación está comprendida entre 600 y 1.800 rpm. Los tamices son rectangulares y bastante largos, desde 0,5 a 1,2 m hasta 1,5 a 4,3 m. Las partículas muy grandes caen dentro de ductos recolectores colocados en los extremos inferiores de los tamices; los finos pasan a través del fondo del tamiz hacia una tolva de descarga.

Tamiz de Rotación Vertical

Tamiz de rotación vertical

Tamiz de Rotación Vertical

Tamiz de rotación vertical para servicio pesado

Tamiz Rotatorio Está formado por un tamiz de forma cilíndrica que gira sobre su eje. Pueden disponerse varios tambores en serie. La inclinación del tambor puede variar según la naturaleza del material a tratar. Su capacidad aumenta con la velocidad de rotación hasta un valor de ésta para el cual resulta cegado el tamiz por acumulación y atasque del material en sus orificios.

Tamiz de Rotación Vertical

Criba múltiple de tambor disposición en línea (trommel).

Devanadoras Las devanadoras o cedazos giratorios consisten en tamices rotatorios de velocidades algo elevadas. Se utilizan tanto en la industria harinera, como en las que manejan otras clases de materiales ligeros, secos y no abrasivos.

Las superficies tamizantes están formadas por telas apoyadas sobre mallas de alambre.

Devanadoras Su velocidad de rotación es superior a la velocidad crítica de un trommel, y de tal valor, que las partículas son lanzadas hacia afuera de la tela de cernido por la acción de la fuerza centrífuga. La superficie se limpia mediante unos cepillos montados dentro de la devanadora. Tienen un diámetro de 60 a 100 cm, longitudes de 1,50 a 2,50 m, y giran a velocidades de 100 hasta 200 rpm.

Cernedor centrifugo HVS

Cernedor centrifugo HVS

Velocidad de Rotación Crítica Al girar el cedazo el material se desplaza por la superficie del tamiz, encontrando área libre para que las partículas pequeñas puedan pasar a través de la malla. A medida que se aumenta la velocidad de rotación, aumenta la fuerza centrifuga con que las partículas grandes se adhieren a la pared del tambor, hasta que el material se atasca y gira con el tambor, impidiendo el tamizado.

Velocidad de Rotación Crítica Para calcular la velocidad critica se iguala la fuerza centrifuga con el peso de la partícula.

FC  P  m a C  m g Pero la aC esta definida como: 2

2v v aC   r D

2

Y recordemos que v se define como:

DN v 60

Velocidad de Rotación Crítica Entonces remplazando y despejando N nos queda:

1800 g 1 NC   42,30 2 D  D NC = velocidad critica en rpm.

Velocidad de Rotación Operativa La velocidad de trabajo o Velocidad operativa se toma como una fracción de la velocidad crítica.

NOperativa = 0,33 a 0,45 NC

Teoría del Tamizado Como ya se mencionó anteriormente, el objetivo de un tamiz es separar una alimentación que contiene una mezcla de partículas de varios tamaños en dos fracciones: Una

inferior que pasa a través del tamiz Otra superior que es rechazada por el tamiz. Cualquiera de ellas, o ambas, puede ser el producto.

Teoría del Tamizado Comparación entre tamices reales e ideales Un tamiz ideal separaría de forma clara la mezcla de alimentación, de tal manera que la

partícula más pequeña en la corriente superior sería justo mayor que la partícula más grande en la corriente inferior.

Diámetro de Corte (DPC) El diámetro de corte DPC, marca el punto de separación entre las fracciones. En general DPC se considera igual a la abertura de la malla del tamiz. Los tamices reales no producen una separación perfecta alrededor del diámetro de corte. Los tamices comerciales producen separaciones más inadecuadas que los tamices de laboratorio de la misma abertura de mallas, operando ambos con la misma mezcla.

Diámetro de Corte (DPC) Las separaciones más nítidas se obtienen con partículas esféricas cuando se opera con tamices de ensayo estándar, pero aun en este caso hay traslapamiento entre las partículas más pequeñas de la corriente superior y las más grandes del flujo inferior. El traslapamiento es mayor cuando las partículas son aciculares o fibrosas o cuando tienden a formar agregados que actúan como partículas más grandes.

Balances de Materia en un Tamiz F D

B Sean F, D y B las velocidades de flujo másico de la alimentación, de la corriente de rechazos y de la corriente de cernidos, respectivamente.

Balances de Materia en un Tamiz Puesto que toda alimentación que entra en el tamiz tiene que salir como flujo de cernidos o como flujo de rechazos,

F=D+B El material A contenido en la alimentación debe salir en estas dos corrientes y

F xF = D xD + B xB

Relaciones Eliminando B de las ecuaciones anteriores se obtiene la relación de rechazo:

D xF  xB  F xD  xB Y eliminando D se obtiene la relación de cernido:

B xD  xF  F xD  xB

Eficiencia de un Tamiz La eficiencia de un tamiz es la medida del

éxito de un tamiz en conseguir una separación exacta de los materiales. Si el tamiz funciona perfectamente, todo el material de mayor tamaño estaría en el sobreflujo y todo el material de menor tamaño

estaría en el cernido.

Eficiencia de un Tamiz Una medida frecuente de la eficiencia de un tamiz es la relación entre el material de mayor tamaño que en realidad se encuentra en el rechazo y la cantidad que entra con la alimentación. Estas cantidades son D xD y F xF, respectivamente.

Eficiencia de un Tamiz La eficiencia del tamiz basada en el tamaño mayor (E1) es: Eficiencia del Rechazo =

Material de mayor tamaño que el diámetro de corte que sale con el rechazo Material de mayor tamaño que el diámetro de corte que entra con la alimentación

D xD E1  F xF Teniendo en cuenta la relación de rechazo y remplazando, E1 nos queda:

x F  x B  x D E1  x D  x B  x F

Eficiencia de un Tamiz De manera análoga, una eficiencia basada en el material de menor tamaño (E2) viene dada por: Eficiencia del Cernido =

Material de menor tamaño que el diámetro de corte que sale con el cernido Material de menor tamaño que el diámetro de corte que entra con la alimentación

B 1  x B  E2  F 1  x F 

Teniendo en cuenta la relación de cernido y remplazando, E2 nos queda:

E2

x D  x F  1  x B   x D  x B  1  x F 

Eficiencia de un Tamiz Aunque se ha propuesto varias fórmulas, nunca se ha establecido un método uniforme para representar la eficiencia global. Nosotros definiremos a la eficiencia global (E) del tamiz como el producto de las dos eficiencias.

E  E1 E 2 Reemplazando E1 y E2 obtenemos:

X F  X B X D  X F 1  X B  X D E X D  X B 2 1  X F  X F



Comparación de Tamices Un tamiz ideal separaría una parte de la mezcla de alimentación de forma tal que la partícula menor en la fracción superior fuera justamente mayor que la partícula más grande de la fracción inferior. El diámetro de corte DPC marca el punto de separación entre las fracciones. Los tamices reales no dan una separación nítida.

Fracciones 1,0

1,0

F

F

Tamaños Superiores

1,0

F

Tamaños Superiores

Alimentación Tamaños Superiores

xD xF Tamaños Inferiores

Tamaños Inferiores

Tamaños Inferiores Superposición

xB 0

DP

DPC a)

0

DP

DPC b)

0

DP

DPC c)

Comparación del tamizado ideal con el real: a) Tamizado de la Alimentación, b) Análisis por tamizado de los productos del tamizado ideal, c) Tamizado real.

Capacidad del Tamiz La capacidad de un tamiz se mide por la masa de material que puede recibir como alimentación por unidad de tiempo relacionada a un área unitaria del tamiz. Capacidad y eficacia son factores opuestos. Para obtener la máxima eficiencia la capacidad debe ser pequeña, y grandes capacidades se obtienen sólo a expensas de una reducción de la eficiencia. En la práctica es deseable un equilibrio razonable entre capacidad y eficiencia.

Capacidad del Tamiz La capacidad de un tamiz se controla simplemente variando la velocidad de la alimentación de la unidad. La eficiencia que resulta para una capacidad

dada, depende de la naturaleza de la operación de tamizado.

Capacidad del Tamiz La oportunidad total de paso de una partícula de un tamaño inferior determinado es una función: Del número de veces que la partícula incide contra la superficie del tamiz. De la probabilidad de paso durante un solo contacto. Si el tamiz es sobrecargado, el N° de contactos es pequeño y la oportunidad de paso como consecuencia del contacto está limitada por la presencia de otras partículas. La mejora de la eficiencia que se obtiene a expensas de la reducción de la capacidad es el resultado de la consecución de más contactos por partícula y mejores oportunidades de paso en cada contacto.

Capacidad del Tamiz La probabilidad de paso de una partícula a través de un tamiz depende: •De

la fracción de la superficie representada por las aberturas.

total

•De

la relación del diámetro de la partícula con respecto al ancho de una abertura en el tamiz.

•Del

número de contactos entre la partícula y la superficie del tamiz.

Capacidad del Tamiz La capacidad máxima de un tamiz dado es aproximadamente proporcional a la abertura del tamiz DPC Aquellos granos de material duro, seco, redondeado o cúbico por lo general pasan sin dificultad a través del tamiz, aun cuando éste sea fino, pero no ocurre lo mismo con los alargados, pegajosos, escamosos o cuando se trata de partículas blandas.

Cegado del Tamiz Un tamiz obstruido por partículas sólidas se dice que está cegado. Debido a la acción de tamizado, las partículas pueden quedar atrapadas dentro de las aberturas del tamiz e impedir que otras partículas pasen. A medida que se reduce el tamaño de la partícula, el tamizado se vuelve progresivamente más difícil, y la capacidad y la eficiencia son bajas para partículas de tamaños menores de 150 mallas (0,1 mm).

Factores Factores que influyen sobre la capacidad: Partículas Gruesas en el Cernido: Esto se debe a irregularidades de la superficie tamizadora, o porque el tejido esté mal construido, o se sitúen entre las mallas algunas partículas de forma irregular y de tamaño muy próximo al de la luz de la malla, y que por la presión y rozamiento de las que se mueven por encima de ellas originen corrimientos de los hilos que dilatan las mallas y aumentan la luz.

Factores Partículas Finas en el Rechazo: Las causas de esto son varias. Si el producto está húmedo, se aglomeran los finos y se comportan como gruesos; el frotamiento electriza a las partículas y provoca también su adherencia; la gran energía superficial de los polvos muy finos es origen también de una mayor adherencia, por la que quedan unidos a los granos gruesos formando parte, indebidamente, del rechazo.

Factores Hay otras dos causas por la que no pasan al cernido todos los granos que debieran hacerlo. Una de ellas es la falta de tiempo de tamizado suficiente para que todas las partículas hayan tenido la seguridad de encontrar la malla por la que pueden pasar y que hayan pasado; la otra se presenta cuando la parrilla es inclinada. Tales cribas no ofrecen a las partículas la dimensión de sus aberturas, sino la proyección horizontal de éstas que es menor.

Factores Para eliminar estas acciones de adherencia se emplea en ciertos casos un chorro de agua (tamizado por vía húmeda). En cualquier caso, la separación es tanto más difícil cuanto más próximos sean los tamaños a separar.