Transporte Neumatico

2014 Trans. Neumático, Silos y Tolvas

Aguilar Prada Liseth, Leira Ortiz Angy, Pugliese Barbosa Katherine, Saavedra Castañeda Cristian Universidad del Atlántico

02/09/2014

1. TRANSPORTE NEUMÁTICO Es utilizado para transportar sustancias que no se comportan de manera fluida. Ha representado un desafío para la ingeniería, las bandas trasportadoras han sido el medio más utilizado y lo siguen siendo en la actualidad, pero estas presentan algunas desventajas notorias con ciertos tipos de material, ya que estas no protegen a los sólidos de los contaminantes presentes en el medio y no pueden transportar de forma vertical, además de esto se corre el riesgo de perder material si este es muy liviano, pues puede ser arrastrado por las corrientes de aire. Los sistemas de transporte neumático son más herméticos y versátiles, estos utilizan las fuerzas de arrastre del aire o de cualquier gas inerte para fluidificar las partículas y facilitar el transporte por tuberías, en este tipo de transporte como si se tratara de cualquier fluido se toma como fuerza impulsora un gradiente de presiones. Esta posibilidad de tratar un sólido como a un fluido (no en toda su expresión) es la que hace del trasporte neumático uno de los recursos más eficaces cuando de transporte de solidos se habla. Los gases en general han sido utilizados con satisfacción en la industria para transportar un amplio rango de partículas. Cuando una gran corriente de gas arrastra un lecho de partículas de tal forma que estas estén parcialmente suspendidas en la corriente se habla de transporte en suspensiones diluidas, estas son rápidas pero un gran flujo de gas implica un recurso energético mayor, por lo que hace relativamente pocos años se empezó a trabajar con flujos en “fase densa” en la cual las partículas sólidas no están totalmente suspendidas, esto implica que solo se alimenta una pequeña cantidad de gas a alta presión reduciendo el recurso energético necesario para llevar a cabo el proceso. Los sistemas de transporte neumático suelen ser confundidos con los hidráulicos pues sus fundamentos son similares, pero en la práctica estos presentan características distintivas; la diferencia fundamental entre los sistemas neumáticos y los hidráulicos es que en estos últimos el sistema de distribución debe ser un circuito cerrado. El transporte neumático está constituido esencialmente por cuatro zonas, los Dispositivos primarios, la zona de mezcla y aceleración, la zona de transporte y la de separación solido-gas. 1.1 Dispositivos primarios: el motor que impulsa los flujos en los sistemas neumáticos es el gradiente de presión, y para generar este gradiente, se puede recurrir a múltiples dispositivos entre los que están: bombas, compresores, válvulas, ventiladores e inyectores.

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 Bombas: Estas generan un efecto de vacío, que arrastra una corriente de gas por succión y esta corriente lleva consigo las partículas suspendidas o los “pistones” de solidos que se desean transportar.  Compresores: a diferencia de las bombas, los compresores aumentan la presión del gas, generalmente están acompañados por un tanque de alta presión donde se introduce el gas a alta presión para luego ser liberado en la zona de mezclado y/o de transporte según el diseño, este gas a alta presión busca una zona de menor presión para alcanzar un equilibrio mecánico lo que produce un flujo, dicho flujo arrastra consigo a las partículas y las descarga en la zona de baja presión.  Válvulas: estas por si solas no generan un gradiente de presión, pues es necesario que exista un flujo para que cumplan su función, por lo que generalmente suelen acompañar a otras unidades como compresores o bombas, estas sencillamente reducen en diámetro en un tramo de la tubería para generar un gradiente de velocidades que acelere o desacelere el proceso.  Ventiladores: un ventilador también es una turbo-máquina que absorbe energía mecánica y la transfiere al gas, proporcionándole un incremento de presión no mayor de 73,55mmHg aproximadamente, por lo que da lugar a una variación muy pequeña del volumen especifico, y suele ser considerada una maquina hidráulica, aunque puede cumplir las veces de compresor en un sistema neumático.  Inyectores: es un dispositivo utilizado para bombear fluidos utilizando el efecto Venturi. Utiliza un fluido a alta presión que sale por una boquilla a alta velocidad y baja presión convirtiendo su energía potencial en energía cinética 1.2 Zona de Mezclado y aceleración: la zona de mezclado, es la zona en la que el flujo de gas y las partículas se mezclan, existen tres formas de mezclado diferente: la primera seria en la que se cargan las partículas y consecutivamente se suministra el gas de arrastre, la segunda la de agregar las partículas y el gas de arrastre a un alimentador mezclador para generar una velocidad de salida y la tercera es la de suministrar al solido cargado dos corrientes de gas, una de mezclado y otra de arrastre, la de mezclado fluidifica las partículas y la de arrastre las transporta. Siempre que se suministre una corriente de acarreo esta debe pasar por una zona de aceleración, para alcanzar la velocidad mínima de arrastre, esta velocidad debe ser muy cercana a la velocidad de salto, para conseguir despegar las partículas de la superficie sobre la cual se encuentren postradas, esta condición de reposo que poseen las partículas inicialmente obliga a que el sistema suministre un esfuerzo de arranque, que ropa la estructura y genere el movimiento, este impulso se consigue acelerando las partículas en el menor tiempo posible.

3

1.3 Zona de Transporte: justo después de la zona de mezclado y aceleración se encuentra la zona de transporte, esta está conformada fundamentalmente por ductos o tuberías y los respectivos accesorios, como codos y válvulas, es en esta donde variables como la fricción, la energía cinética, y los flujos estables o inestables adquieren relevante importancia, y aunque los dispositivos que la conforman sean más básicos, existen muchas consideraciones que tener en cuenta, como por ejemplo la rugosidad de los canales y las fuerzas de impacto sobre los puntos de inflexión. Son los codos los accesorios que más sufren el rigor de los esfuerzos cortantes y los impactos de las partículas, hasta hace poco tiempo se creía que suavizar la curvatura de un codo aumentaba su vida útil, pero esto solo es relativamente cierto para determinados radios, además recientemente se han desarrollado codos en forma de T con uno de los extremos cerrados que resultan más tolerantes al desgaste que los codos curvos, pues en el extremo ciego del codo se acumula grano que sirve de amortiguador reduciendo el efecto del impacto de las partículas, con respecto a las fases, dirección y los tipos de flujo se pueden definir las siguientes clasificaciones: 1.3.1 Transporte en fase diluida y en fase densa Ya se había dado con anterioridad una descripción general de estos dos tipos de transporte, sin mayor detalle, pero para la dinámica de este texto es indispensable definirlos con más profundidad. 1.3.1.1 Transporte en fase diluida: en este las partículas del solido se encuentran suspendidas en la corriente de gas, como si se tratara de una mezcla “homogénea” [Imagen 1]. Este se da a bajas presiones, altas velocidades y se utilizan grandes corrientes de gas, estas últimas características no siempre son beneficiosas, en el caso de la altas velocidades, aunque puede acelerar el proceso global, tienden dañar las partículas pues el impacto en los puntos de inflexión es mayor, y con respecto a las grandes cantidades del gas, estas implican un mayor recurso energético.

Imagen 1. Mezcla homogénea

1.3.1.2 Transporte en fase densa: para este, las partículas no se encuentran totalmente suspendidas, es decir la mezcla entre el gas y el sólido es “heterogénea” [Imagen 2] aunque el efecto de fluidificación se da, el flujo se comporta un poco distinto, en este se forman unos pistones con un aglomerado de partículas que se desplazan a lo largo de la tubería como un solo “paquete”, estos manejan presiones mayores, pero los flujos de gas y las velocidades son menores, por lo que se reduce el daño de los materiales y los recursos energéticos. 4

Imagen 2. Mezcla heterogénea.

1.3.2 Transporte Vertical y Horizontal:  Transporte vertical: cuando las partículas se intentan transportar de forma vertical, se reduce la velocidad por la influencia del vector peso, esta contraparte se puede vencer localizando zonas de aceleración en la tubería para evitar el apilamiento por acumulación lo que podría obstaculizar el paso de las partículas, aunque el transporte vertical requiere una mayor potencia para vencer la gravedad, presenta ciertas ventajas como por ejemplo, a través de los tramos horizontales de la zona de transporte se pueden dar dos tipos de flujos, flujos estable e inestable, este último genera caídas de presión y dificultan el proceso, mientras que en los tramos verticales el flujo siempre es estable, pues no se forman dunas en ninguna parte del canal.  Transporte Horizontal: En el transporte horizontal las cosas cambian un poco, lo que no cambia es que la gravedad en este caso tampoco resulta jugar a favor, pues es aquí donde se explica la existencia de los flujos estable e inestable [Imagen 3], los flujos estables son aquellos en que las partículas sin importar si es un flujo denso o diluido, llevan relativamente la misma velocidad en todos los puntos y no se dan aglomeraciones, por lo que el flujo es suave, mientras que en el caso del flujo inestable se forman dunas en la parte inferior de la tubería y estas van creciendo por la acumulación hasta obstruir el paso, causando caídas de presión y daños al material y a los canales.

Imagen 3. Flujo estable e inestable

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1.4 Zona de separación solido-gas En esta zona se separa el flujo de gas de arrastre o de mezcla del solido transportado, básicamente se deja caer el sólido en un depósito y el gas a alta presión es liberado por una válvula de descompresión, los dispositivos más comunes son los ciclones y los filtros; como se muestra en la imagen 4. Colector de polvos

Control de nivel

Tolva de proceso

Válvula Neumática de admisión Transportador

Tubería de Transporte

Imagen 4. Esquema de un sistema de transporte neumático

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1.5 Balances Y Fundamentos Del Transporte Neumático

Imagen 5. Diagrama de velocidades

Velocidades:  Velocidad superficial del gas:

Dónde: qg: caudal volumétrico del gas A: sección transversal del canal

 Velocidad superficial de los sólidos:

Dónde: qs: caudal volumétrico del gas A: sección transversal del canal La fricción del área transversal de la cañería disponible para el flujo se asume igual a la porosidad ε. La fracción del área para el flujo se sólidos es (1-ε). Las velocidades reales del gas y los sólidos son:

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La velocidad de resbalamiento, que es la velocidad relativa entre las partículas y el gas se define como:

La relación entre los caudales másicos se le denomina carga de sólidos y se expresa:

La caída de presión está dada por la ecuación .

/

El balance de cantidad de movimiento es: ,

-

,

-

Entonces, {

}

{

}

{

}

{

}

{

}

,

-

Expresado matemáticamente queda: [

]

[

]

Donde Fwg y Fws son la fuerza de fricción por unidad de volumen sólido-pared y gas-pared respectivamente. Reordenando la ecuación anterior, asumiendo la densidad del gas y la porosidad constantes:

Dónde: 

= pérdida de carga por aceleración del gas 8



= pérdida de carga por aceleración de los solidos



= pérdida de carga debido a la fricción del gas con la pared

 

= pérdida de carga debido a la fricción de los sólidos con la pared = pérdida de carga por la energía potencial del gas



= pérdida de carga por la energía potencial de los solidos 2. SILOS Y TOLVAS

El almacenamiento es una etapa importante en la fabricación de productos químicos, tanto para disponer en continuo de las materias primas que se reciban en forma discontinua, como para guardar productos intermedios o finales antes de su procesado, pero también se complica la tarea de encontrar una unidad adecuada para determinado material, por lo que es necesario analizar las características que nos permitan identificar la forma en que estos deben ser almacenados. Para sólidos que puedan sufrir algún tipo de alteración que resulte perjudicial o reduzca la calidad del material a causa de su exposición a la atmosfera, deben ser almacenados fundamentalmente en depósitos, silos y/o en tolvas; donde los dos últimos serán objeto de estudio.

Características

SILOS

Tipos

Descarga por TRANSPORTE DE SÓLIDOS

-Altos. -Recipiente Cilindrico -Diámetro relativamente pequeño -Sección Circular.

-Sección Cuadrada

Transporte neumático -Pequeño

Clasificación Característica s

TOLVAS

Tipos

Descarga por

déposito. -Sirve de almacenamiento temporal. -Recipiente Contenedor

- Metálicos - Concreto Gravedad por su parte inferior.

Diagrama 1. Tipos de transporte y manejo de sólidos

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2.1 Tipos de flujo 2.1.1 Flujo tubular El flujo tubular consiste en la formación de un canal de flujo, alineado con la boca de salida del silo, rodeado por una zona en la cual el material permanece inicialmente estático [Imagen 1]. Durante la descarga del silo, si el material es poco cohesivo, la parte más alta pegada a las paredes se va desmoronando, alimentando el canal central. Si el material es muy cohesivo, el vaciado del silo puede llegar a detenerse al formarse un canal central vacío, rodeado por material estático.

Imagen 1. Secuencia de vaciado flujo tubular.

En la descarga de un silo que lo haga con flujo tubular el material no se mueve todo a la vez, lo que provoca que el caudal de material en la boca de salida y la densidad aparente del lecho de material resultante se vayan modificando durante el transcurso de esta operación; incluso cuando el silo se ha vaciado casi completamente existe en su interior material que aún no se ha movido. 2.1.2 Flujo másico Este tipo de flujo se caracteriza porque todo el material se mueve a la vez durante la descarga; en particular, el material pegado a las paredes se desliza sobre ésta vaciándose junto con el resto. Desde el inicio de la descarga ninguna partícula o aglomerado permanece en su situación original, todas se mueven lo que impide la existencia de zonas muertas. El material que primero entra en el silo es el primero que sale, lo que tiende a mantener constante el tiempo almacenamiento del material en el silo en un proceso continuo. La descarga de un silo en flujo másico no se detiene por la formación de canales, puesto que todo el material se mueve a la vez [Imagen 2]. Además, las tensiones que aparecen durante la descarga de un silo son predecibles, por lo que puede diseñarse para que no se formen arcos que la interrumpan. El caudal de descarga y la densidad del lecho de material durante el vaciado son menos variables que en el caso de flujo tubular.

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Imagen 2. Secuencia de vaciado flujo másico

2.2 Diseño de Silos Consiste en determinar el valor del ángulo máximo que forma las paredes del silo con la vertical en la zona de descarga ) y el del tamaño mínimo de la boca de salida (D) para los que la descarga del silo se realiza por flujo másico sin interrupciones [Imagen 3].

Imagen 3. Variables de diseño

2.3.1 Consideraciones previas  Obstrucciones de la boca de salida: la magnitud de la boca del silo debe ser mayor que el de las partículas aglomeradas.  Tipo de producto a almacenar:  Partículas gruesas con dimensiones superiores a 100 mm.  Partículas granulares con dimensiones comprendidas entre 30 y 5 mm.  Partículas finas en las que puede intervenir la cohesión y con dimensiones comprendidas entre 5 mm y 100 micras  Partículas extrafinas o superfinas con dimensiones inferiores a 10 micras.  Características de la celda exigidas por el proceso industrial a realizar.

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2.3.2 Cálculo de las variables de diseño 

Ángulo máximo de la pared del silo en la zona de descarga ( : para calcular se recurre a las gráficas de factor de flujo (gráfica 1), en donde la zona triangular representa las condiciones para las cuales el flujo es másico. La línea a trazos determina las condiciones límite del sistema: el ángulo máximo de la pared del silo ( y el ángulo de fricción del sistema polvopared ( ).

Gráfica 1. Factor de flujo



Diámetro mínimo de la boca de salida (D): para un silo cónico con abertura circular, el tamaño mínimo del orificio de salida se calcula a partir de la expresión: (

)

Donde: = diámetro del orificio de salida Ángulo entre la vertical y la pared del silo en la zona de descarga CAS = tensión crítica Densidad del lecho de polvo Ejemplo Calcular las cargas debidas al material almacenado y al diseño del silo, sí se considera como base del diseño un cilindro de chapa y unido mediante soldadura, que será utilizado como almacenamiento de material granulado a granel, como se muestra en la figura.

. 12



Propiedades del material almacenado:

Tratándose de trigo: γ= peso específico = 9,0KN/m3 µ= coeficiente de rozamiento con las paredes= 0,30 Ks = relación presión horizontal-presión vertical= 0,55 Las propiedades del acero son las siguientes: Límite de elástico= fy=275 N/mm2 (t≤ 40 mm) Módulo de elasticidad= E=210 KN/mm2 

Clasificación del silo:

Cálculo del volumen:

Capacidad del silo:

El silo se clasifica en clase 2, con capacidad entre 1000 y 10000 KN y es necesario garantizar el tipo de flujo, para asegurar unas presiones sobre las paredes reales. El fondo del silo es plano y debido a sus características se corresponde con un patrón de flujo en embudo. h/d= 3,3> 1,5 = Silo esbelto 

Cargas debido al material almacenado

Cargas de llenado: Presión vertical sobre el fondo del silo: [

⁄

];

Donde: U=2 r= 14,13 m A=

=15,90 m2

z= profundidad considerada del silo Ks y µ son factores que tienen en cuenta la variabilidad del material almacenado. Utilizando la tabla 1 del eurocódigo 1 parte 4, 13

Para el cálculo de presiones horizontales: Pv máximo: Ks=0,9; µ=0,9 Ks= 0,9*0,55=0,5 µ=0,9*0,3=0,27 *

⁄

+

Esto representa la presión vertical sobre el fondo del silo. Presión horizontal sobre el fondo del silo: Phf máximo: Ks=1,15; µ=0,9 Ks= 1,15*0,55=0,63 µ=0,9*0,3=0,27 De donde se obtiene:

*

⁄

+

Phf= pv*Ks=53, 66*0, 63=33, 80 KN/m2 Presión debida al rozamiento contra la pared del fondo del silo: Pwf máximo: Ks=1,15; µ=1,15 Ks= 1,15*0,55=0,63 µ=1,15*0,3=0,345

Entonces; *

⁄

+

pwf= pv *Ks* µ= 44,02*0,63*0,345=9,57

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2.4 Diseño de Tolvas Las propiedades que se utilizan en el diseño de una tolva de flujo másico son el ángulo efectivo de fricción interna, la función de flujo de material, y el ángulo de fricción de la pared entre el material en polvo y el material de la pared. En una tolva de flujo de masa durante la descarga de la distribución de la tensión es tal que un arco estable o flujo de embudo no se producen y por lo tanto el flujo no se detendrá.  Función de flujo de material: ya sea una tolva que opera en flujo de masa o flujo tubular depende de las propiedades de flujo del material en polvo y la forma en que interactúa con las paredes de la tolva.  Ángulo efectivo de fricción interna: el ángulo efectivo de fricción interna, δ, se determina a partir de la trama JYL. δ es el ángulo de la pendiente de la recta que pasa por el origen que es tangente a los círculos de Mohr en el punto crítico [Imagen 4].

Imagen 4. Ubicación del ángulo δ

 Ángulo de fricción de la pared: la última propiedad que se necesita es la fricción de la pared, δw, entre el polvo y la pared de la tolva. A menudo, los datos son lineales.  Determinación del tamaño mínimo de salida de la tolva: las fuerzas que actúan sobre el material en polvo almacenado en una tolva tienden a compactar el polvo (es decir, reducir su densidad aparente), y las tensiones de corte en el material tienden a hacer que fluya. A. W. Jenike demostró que para un elemento en cualquier posición en el interior de una tolva de flujo másico, la relación de la tensión de compactación a la tensión de corte tiene un valor constante que se llama el factor de flujo:

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Gráficos para tolvas simétricas de salida de la ranura y para tolvas cónicas se muestran en las gráficas 2 y 3.

Gráfica 2. Carta de diseño para tolvas de ranura de salida

Gráfica 3. Carta de diseño para tolvas de ranura de salida cónica.

simétrica.

Sea, CAS= Tensión critica aplicada.

Para tolvas de salida de la ranura simétrica, el tamaño de la abertura se determina a partir:

Se tiene que para tolvas cónicas [Imagen 5], el diámetro de abertura, D, es dado por:

Imagen 5. Tolva con salida cónica

Imagen 6. Tolva con ranura simétrica

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2.4.1 Características del material que influyen en el transporte del sólido en la tolva  Densidad aparente: es la densidad del material incluyendo el aire que hay entre sus partículas. Lógicamente, la densidad aparente del material siempre será inferior a la densidad real. Si la densidad aparente del material es excesivamente baja (no es superior al 20% o 30% de la densidad real), el material dará problemas de fluidez, puesto que, para obtener un determinado caudal se necesitará aumentar un gran volumen de material.  Compresibilidad: es el aumento que se produce en la densidad aparente de un plástico al presionarlo.  Coeficiente de fricción: se puede distinguir entre el coeficiente de fricción interno, que es la fricción existente entre las propias partículas del polímero y el coeficiente de fricción externo, que es la fricción existente entre las partículas del plástico y la superficie del cilindro con la que está en contacto el plástico.  Distribución del tamaño de partícula de la granza (DTP): interesa que sea lo más uniforme posible, con el fin de evitar problemas de fluidez de la granza.

Ejemplo La tensión de cizallamiento - Límite elástico parcelas JYL para un material determinado arrojó los datos consignados en la tabla 1. Determine la pendiente de la pared y tamaño de la abertura para asegurar el flujo de masa en una tolva cónica para este material. Suponga que la densidad aparente es de 1300 kg/m3. Tabla 1. Datos experimentales Esfuerzo de cizallamiento interno

(kPa)

1 2 3 4 Medida de fricción de la pared 1 2

2,4 2,0 1,6 1,3 Fuerza normal (kPa) 2,0 3,0

O,97 0,91 0,85 0,78 Fuerza de cizallamiento (kPa) 0,689 1,03 17

Ángulo efectivo de fricción interna Datos tomados de la línea tangencial del círculo de Mohr en el punto crítico

Altura ( )

Distancia ( )

1,0

1,73

Para obtener el ángulo efectivo de fricción interna:

Y el ángulo es: Para obtener el ángulo de fricción de la pared los puntos de datos dados se representan como en la figura, para el cual se puede observar que los datos son lineales.

Ahora, observando la imagen (carta de diseño para tolvas de ranura de salida cónica) se obtiene que el factor de flujo

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La intersección entre la gráfica vs se trazan para obtener la función de flujo de material y el valor se utiliza para trazar la curva /ff, para hallar el valor del CAS (Tensión critica aplicada). 1.5 1

0,97

1,30

2

0,91

1,08

0.5

1,6

0,85

0,86

0

f

fc

2,4

o/ff Linear (f) Linear (o/ff) 0

1,3

0,78

1

2

3

σ

0,70

Gráfica 4. Intercepto entre σ vs f

Tabla 2. Datos

Donde CAS es la intersección entre las gráficas mencionadas, por lo tanto CAS= 0,82 Kpa Con la fórmula se obtiene el valor de H

Luego de obtener el valor de H, se reemplaza en la fórmula y se halla el diámetro

(

)

Por lo tanto, para una tolva cónica de flujo de masa el diámetro mínimo de la abertura es 0,151 m. Como un margen de seguridad, el semi- ángulo incluido se reduce 3 grados y el ángulo de diseño de la tolva es de 18 grados.

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BIBLIOGRAFÍA 

Perry R., “Perry’s chemical engineers’ handbook”, McGraw-Hill, 6th edition, 1997.



AMOR~S, J.L.; MALLOL, G.; ~ÁNCHEZ, E.; GARCÍA, J.; Conception des silos et tremies de sttockage desmateriaux particulaires et operations de soutirage. L'Industrie Céramique & VerriPre 958104, 2-10 p, 2000.



Transporte Neumático de Materiales Pulverulentos. Ed. Labor. 1974.

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