Operaciones Unitarias III Reduccin de tamao

Operaciones Unitarias III Reduccin de tamao

REDUCCION DE TAMAOObjetivo general Conocer el funcionamiento de un molino de martillo, al utilizarlo en la reduccin de tamao de granos de maz.Objetivo especfico Realizar el anlisis granulomtrico con los granos triturados, para determinar el tamao de grano que es posible alcanzar con un molino de martillo.Introduccin tericaLa reduccin de tamao consiste en disminuir el tamao de un material, o fragmentarlo, mediante la aplicacin de acciones fsicas. Dicho trmino se aplica a todas las formas en las que las partculas de slidos se pueden cortar o romper en piezas ms pequeas (McCabe & Smith, 2007). Los slidos pueden romperse de una gran variedad de maneras, sin embargo, las ms comunes son: Compresin, impacto, frotacin y corte.Dependiendo del tamao de partcula que se requiera para cierta aplicacin, existen 2 tipos de operaciones: la trituracin y molienda. La trituracin es la reduccin de tamao de partculas muy grandes, a tamaos intermedios (aprox. 2 m), mientras que la molienda hace referencia a la reduccin de tamao de slido de tamao intermedio, a tamaos pequeos; incluso hasta muy finos (Lpez & Cervera, 1991). En las operaciones de trituracin y molienda, los costos energticos son muy elevados, por lo que es necesario tomar en cuenta los factores que controlan el costo de energa (McCabe & Smith, 2007). Los slidos, al poseer cierta energa superficial, requieren cierto trabajo efectuado para romperlos, dicho trabajo se almacena como energa mecnica, hasta que el slido logra fracturarse, liberando energa en forma de calor. Asimismo, un slido seco presenta una mayor resistencia, lo que incide en el aumento de la energa requerida por el molino o trituradora.Una de las ecuaciones ms utilizadas en para el clculo de potencia de un molino es la ecuacin de Bond, que se expresa de la siguiente forma:

Dnde: W es el trabajo requerido, en unidades de kWh por tonelada corta, d80 es el dimetro de malla por el cual pasa el 80% del producto, D80 es el dimetro de malla por el cual pasa el 80% de alimentacin, Wi es el ndice de trabajo (que se define como los kWh por tonelada corta que se requieren para reducir un material de dimensin terica infinita a un tamao d80 de 100 m) (McCabe & Smith, 2007). Si se tiene una molienda seca, el ndice de trabajo se debe multiplicar por 4/3, dado que consume mayor potencia en base seca.Una manera de representar indirectamente la eficiencia de un molino, es a travs del ndice de reduccin, que se define como la relacin entre la abertura de malla que deja pasar al 80% de la alimentacin entre la abertura de malla que deja pasar el 80% del producto. Entre mayor sea el ndice de reduccin, mayor ser la eficiencia del molino. Matemticamente se expresa:

Al finalizar de la trituracin o molienda, es necesario realizar un tamizado para determinar los tamaos de partcula que se han obtenido. El anlisis de tamizado consiste en la separacin de una alimentacin que posee una variedad de tamaos de partculas, a travs de las aberturas de un tamiz, los cuales poseen una malla con distintos tamaos de abertura. Los slidos ms pequeos que el tamao de abertura del tamiz pasan a travs de ste, hacia el siguiente tamiz, mientras que las partculas de tamao mayor al de la abertura se retienen en dicho tamiz (McCabe & Smith, 2007).Para un anlisis de tamizado, es posible caracterizar las partculas mediante ciertos parmetros, algunos de estos son los siguientes: Dimetro medio volumen superficie (DS).

Dnde: Xi es la fraccin masa de la partcula y Dpi es el dimetro equivalente del tamiz donde pas la fraccin masa Xi. Dimetro medio de masa (DW).

Dimetro medio de volumen (DV).

Equipos y materiales Molino de martillo Tamices #12, 14, 18, 20, 25, 35, 45, 60 Mallas 1.7, 1.4, 1.0, 0.85, 071, 0.5, 0.355, 0.25 mm. Tapadera de tamices Fondo de tamices Agitador elctrico Cronmetro Balanza semi analtica Bandeja de aluminio Granos de maz secoMetodologa1. Introducir la muestra en el molino de martillo cuidadosamente, y colocar la bandeja de aluminio debajo de la salida del producto ya molido.2. Una vez obtenido la muestra de maz molido se pesa dicha muestra.3. Pesar los 8 tamices y tomar nota de su masa.4. Colocar el conjunto de 8 tamices normalizados acoplados verticalmente, desde el tamiz de malla ms pequea en el fondo hasta el de abertura ms grande en la parte superior, tambin colocar la base antes de todos los tamices.5. Colocar la muestra en el tamiz superior y tapar la serie de tamices. 6. Colocar los tamices sobre el agitador mecnico. Ajustar bien los tamices para que se mantengan fijos a la hora de agitarlos.7. Iniciar el agitador mecnico, dejando agitar el sistema por 5 minutos.8. Una vez pasado los cinco minutos pesar nuevamente los tamices y la base. Tomar nota de las masas de cada uno.ClculosCon los datos obtenidos en la prctica, complete la siguiente tabla. Para la base, tomar como Dp el dimetro de malla 70. (Serie de Tamices ASTM E-11).Nmero de mallaDp (mm)Masa de tamices (g)Masa total (g)Masa retenida (g)

12

14

18

20

25

35

45

60

Base (Malla 70)

Masa Total

Con el anlisis de tamizado obtenido para la reduccin de tamao de los granos de maz seco, realizar una grfica de anlisis diferencial y una grfica acumulativa mayor que y menor que. Calcular la potencia requerida por el molino en kWh/ton. Tome como Dp80=9 mm.Calcule el ndice de reduccin.Trabajo adicional1. Mencione 3 equipos de reduccin de tamao y explique cada uno de ellos.2. Cules son los fines ms importantes de la reduccin de tamao en la industria?3. Enumere algunos criterios que se deben tomar en cuenta para la desintegracin mecnica. 4. Cmo se puede categorizar el tamao de partculas? 5. Explique la diferencia entre molienda y trituracin. 6. Encontrar el dimetro medio volumen-superficie (Ds), dimetro medio de masa (Dw) y dimetro medio de volumen (Dv), con los datos obtenidos en la prctica. BibliografaLpez, C., & Cervera, S. (1991). Introduccin a los procesos, operaciones unitarias y fenmenos de transporte. McCabe, W., & Smith, J. (2007). Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica. McGraw-Hill.

DatosEscala de tamices ASTM E-11MallaMasa de tamices (gramos)Dp (mm)Masa de tamices + maz molido (gramos)Masa de maz molido (gramos)

12453.11.700454.11.0

14444.41.400446.21.8

18425.71.000469.844.1

20437.30.85048850.7

25427.90.710473.345.4

35385.70.500429.443.7

45374.40.35539217.6

60369.60.25038010.4

Base382.40.212400.117.7

Total232.4

Tabla 1. Datos obtenidos en el anlisis de tamizado.Para el Dp de la base se toma de la tabla de escala de tamices ASTM E-11, la malla que le sigue a la malla nmero 60, en este caso la malla 70 con Dp de 0.212mm. Clculos Grfica de anlisis diferencialPara realizar el anlisis diferencial, se calcularon los Dp promedio y los porcentajes en peso retenidos en cada tamiz, as como se muestra en la tabla 2.MallaDpDp (prom)%w

121.7000.0000.430

141.4001.5500.775

1810001.20018.976

200.8500.92521.816

250.7100.78019.535

350.5000.60518.804

450.3550.4287.573

600.2500.3034.475

700.2120.2317.616

Total100.000

Tabla 2. Dp promedio y porcentaje en peso retenido en cada tamiz.Los resultados de esta tabla se presentan en el grfico de la figura I, mostrada a continuacin.

Figura I. Anlisis Diferencial.

Grfica acumulativa Mayor qu y menor qu.Para la obtencin de esta grfica, se complet la siguiente tabla:Nmero de mallaDp (mm)% Fraccin Retenida% Mayor que% Menor que

121.7000.4300.43099.570

141.4000.7751.20598.795

181.00018.97620.18179.819

200.86021.81641.99758.003

250.71019.53561.53238.468

350.50018.80480.33619.664

450.3557.57387.90912.091

600.2504.47592.3847.616

Base (Malla 70)0.2127.616100.0000.000

Tabla 3. Porcentajes mayor qu y menor qu

Luego, se grafic el porcentaje mayor y menor qu (eje y) vs el Dp de los tamices (eje x).

Figura II. Anlisis Acumulativo mayor qu y menor qu

Clculo de la potencia del molinoPara calcular la potencia del molino, se utiliza la ecuacin 1, con D80=9mm y d801mm (ledo del grfico). Para el maz, el ndice de trabajo es 11.21 kWh/ton (Arteaga). Como se tiene molienda seca, el Wi se multiplica por 4/3.

ndice de reduccinPara el clculo del ndice de reduccin, se utiliza la ecuacin 2

Respuestas al trabajo adicional1. Mencione 3 equipos de reduccin de tamao y explique cada uno de ellos.Molino de martillosAmpliamente usado para materiales duros y semiduros. El sistema operacional del molino de martillos es uno o ms discos montados sobre un eje horizontal, que lleva en su periferia una serie de pequeos martillos, los cuales tienen libertad para oscilar en torno a un eje. La parte superior de la caja tiene una tolva de alimentacin y la placa de ruptura. El material que se quiere fraccionar se desliza lentamente sobre dicha placa, donde es golpeada por los martillos en rpido movimiento giratorio y queda finamente fragmentada; los fragmentos giran hacia la parte inferior y son lanzados contra una rejilla. La capacidad de un molino de martillos es muy grande.Un molino de martillos de tamao medio es capaz de suministrar material a razn de 12 a 15 toneladas por hora a travs de rendijas de 1/2 cm aproximadamente.Algunas de sus aplicaciones son: trabajo pesado en molienda de granos, maz, trigo y toda clase de cereales, semillas oleaginosas y condimentos y especias.

Figura III. Esquema de un molino de martillo.Molino de Bolas:El molino de bolas consiste en un cilindro de acero que descansa horizontalmente apoyado sobre pedestales y gira alrededor de su eje horizontal. Este cilindro contiene en su interior un medio triturador adecuado, tal como bolas de acero o de pedernal.Se mantiene el molino girando durante un perodo variable y despus se descarga a travs de la misma abertura, despus de haber reemplazado la puerta de cierre por una rejilla con mallas adecuadas para dejar pasar el material molido, pero suficientemente estrechas para retener las bolas.El molino de bolas puede adaptarse para el trabajo continuo dotndole de muones huecos, y alimentndolo por un lado y descargndolo por el otro. El molino de tubo es un cilindro horizontal, largo, cuya longitud es de varias veces su dimetro.

Figura IV. Esquema de un molino de bolas.

Molino de Rodillos o de Cilindros:Su funcionamiento se describe de la siguiente manera:el material, mediante la tolva de carga cae en los ejes de alimentacin, los cuales lo conducen a todo lo largo del molino, de donde es trasmitido de modo uniforme, en flujo continuo, a la zona de trituracin.Los cilindros trituradores tienen la superficie de trabajo adaptada al tipo de trituracin del material y giran con diferente velocidad circunferencial (igual velocidad circunferencial, solo durante el prensado). Para el sistema de transmisin de potencia se utilizan motores y reductores de diferentes potencias y revoluciones, respectivamente, segn las aplicaciones algunos utilizan un sistema de refrigeracin en los cilindros, para evitar deterioro en alimentos por ejemplo.Este equipo es utilizado en la molienda de algunos cereales como centeno, trigo, cebada, avena, maz, soja, arroz y otros, con el fin de obtener harinas panificables, adems, puede ser empleado para el machacado del grano de centeno ya limpio, en la lnea de moltura de este cereal y tambin puede aplicarse para la trituracin de sal, azcar, etc.

Figura V. Esquema de un molino de rodillos.2. Cules son los fines ms importantes de la reduccin de tamao en la industria? Facilita la extraccin de un constituyente deseado que se encuentra dentro de la estructura del slido, como la obtencin de harina a partir de granos y jarabe a partir de la caa de azcar. Se puede obtener partculas de tamao determinado cumpliendo con un requerimiento especfico del alimento, por ejemplo la azcar para helados, preparacin de especies y refino de chocolate. Una disminucin del tamao de partcula de un material aumenta la superficie del slido, lo que resulta favorable en muchos procesos de velocidad, por ejemplo: El tiempo de secado de los slidos hmedos se reduce mucho aumentando su rea superficial. La velocidad de extraccin de un soluto deseado crece al aumentar el rea de contacto entre el slido y el disolvente. El tiempo necesario para ciertas operaciones-horneo, escaldado, etc., se puede reducir troceando los productos sometidos al proceso. Si el tamao de partculas de los productos a mezclarse es homogneo y de tamao ms pequeo que el original, la mezcla se realiza ms fcil y rpido, como sucede en la produccin de formulaciones, sopas empaquetadas, mezclas, dulces, entre otros.

3. Enumere algunos criterios que se deben tomar en cuenta para la desintegracin mecnica. Los costos de energa constituyen el principal gasto en estas operaciones. Una maquina ideal de reduccin de tamao debe: Tener gran capacidad. Requerir baja potencia por unidad de producto. Dar un producto nico o con cierta distribucin deseada de tamao. Para elegir una mquina debe considerarse: El tamao deseado. Caracterizacin del material inicial, tamao y distribucin granulomtrica, dureza, abrasividad.4. Cmo se puede categorizar el tamao de partculas? Muy grueso: cuando se obtienen partculas mayores a 1000 m. Grueso: cuando se obtienen partculas entre355-1000 m. Moderadamente fino: cuando se obtienen partculas entre 180-355 m. Fino: cuando se obtienen partculas entre 125-180 m. Muy fino: cuando se obtienen partculas entre 90-125 m.

5. Explique la diferencia entre molienda y trituracin.La diferencia entre trituracin y molienda radica en que mientras la trituracin tiende a la reduccin del material a tamaos de grano arena y superiores, la molienda se refiere a tamaos de grano arena e inferiores.El trmino molienda es de uso comn, se refiere a la pulverizacin y a la dispersin del material slido. Pueden ser granos de cereal, uva, aceitunas, etc. en productos de alimentacin. Aunque tambin pueden ser piedras o cualquier otro material slido.La trituracin es un proceso de reduccin de materiales comprendido entre los tamaos de entrada de 1 metro a 1 centmetro (0,01m), diferencindose en trituracin primaria (de 1 m a 10 cm) y trituracin secundaria (de 10 cm a 1 cm).6. Encontrar el dimetro medio volumen-superficie (Ds), dimetro medio de masa (Dw) y dimetro medio de volumen (Dv), con los datos obtenidos en la prctica. MallaMasaFraccin masa (xi)DpDp (prom)xi/Dpxi*Dpxi/Dp3

1210.00431.7

141.80.00771.41.550.00500.01200.0021

1844.10.189811.20.15810.22770.1098

2050.70.21820.850.9250.23580.20180.2756

2545.40.19540.710.780.25050.15240.4117

3543.70.18800.50.6050.31080.11380.8491

4517.60.07570.3550.42750.17710.03240.9693

6010.40.04480.250.30250.14790.01351.6167

7017.70.07620.2120.2310.32970.01766.1788

Total232.411.61500.771210.4131

Tabla 4. Valores para encontrar Ds, Dw y Dv.

a) mb) mc) Anlisis de resultadosAnlisis de la eficacia de la molienda.Se puede observar que, en el tamiz 12, se ha retenido una cantidad muy pequea de masa; es decir, en el primer tamiz se ha obtenido muy poca masa, lo cual indica que la molienda de la alimentacin fue muy eficiente. Eso se puede observar en el ndice de reduccin, aproximadamente de 9, el cual es un valor aceptable de molienda.Anlisis diferencial.En el anlisis diferencial, el comportamiento esperado es tal que cada tamiz consecutivo retenga una menor masa, tal comportamiento se observ en la figura I. Si bien los primeros tamices presentaron un porcentaje retenido bajo, fue debido a la distribucin del tamao de las partculas, mientras que, a partir del tamiz 3 se observ la tendencia antes mencionada. En la base se obtuvo un porcentaje retenido considerable, debido, de igual manera, a la distribucin del tamao de partculas, por lo que es posible que, con un tamiz de mayor tamao de malla, dicho porcentaje hubiera disminuido.Anlisis acumulativo.En el anlisis acumulativo se observa que, en ambos porcentajes (mayor y menor qu), se sigue la tendencia esperada en tales anlisis, lo cual indica una distribucin muy uniforme de la masa en cada tamiz utilizado. De la tabla 3 se puede apreciar que el molino de martillo utilizado puede llegar a producir partculas de tamao menor a 250 m.Conclusiones Las operaciones de reduccin de tamao tienen como fin minimizar el tamao de partcula de una muestra, obteniendo un producto con tamaos homogneos de partculas. Esto pudo comprobarse con los resultados obtenidos en el anlisis diferencial, ya que mostr una distribucin uniforme de las partculas obtenidas al final de la molienda, con baja cantidad de partculas con dimetro mayor a 1.7 mm (aproximadamente el 0.45% de las partculas obtenidas), mientras que el dimetro mximo de partculas obtenidas fue de 0.925. El anlisis de tamizado de partculas es de mucha utilidad luego de realizar una operacin de reduccin de tamao, puesto que permite visualizar los tamaos de partculas obtenidos en dicha operacin. El anlisis de tamizado permite obtener (aunque de manera indirecta) un aproximado de la potencia requerida en un molino para realizar una reduccin de tamao hasta obtener un dimetro de partculas deseado. Esto pudo observarse al realizar el anlisis acumulativo menor qu para la muestra de maz utilizada: de dicho anlisis se obtuvo el d80, lo cual permiti realizar un estimado de la energa requerida por el molino utilizado, demostrando la utilidad del anlisis de tamizado posterior a la reduccin de tamao. Se dice que una molienda es efectiva, cuando, al realizar un anlisis de tamizado, se tiene que, en el primer tamiz, la fraccin retenida es poca y cuando su ndice de reduccin tiende a ser considerablemente elevado. Esto es debido al tamao que se desea cierto material en una operacin. La efectividad de la molienda, para el caso de granos de maz, se pudo apreciar al realizar el anlisis de tamizado: una cantidad muy poca de alimentacin qued retenida en el primer tamiz, es decir que el molino de martillo utilizado produjo una gran cantidad de finos, dejando muy pocas partculas gruesas. Esto tambin se corrobor con el ndice de reduccin aproximadamente de 9, el cual se considera como un buen ndice de reduccin.Bibliografa McCabe, Smith, Harriot. Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica. Sexta Edicin. McGraw Hill. Captulo 28. Arteaga, I. (s.f.). Reduccin de Tamao y Tamizado. Autor desconocido. Reduccin de tamao. Obtenido: 7 de noviembre de 2014. Disponible en: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/332569/MODULO_332569_EXE/reduccin_de_tamao.html Autor desconocido. Reduccin de tamao. Obtenido: 7 de noviembre de 2014. Disponible en: http://es.slideshare.net/Carlos0601/reduccin-de-tamao Rosendo Archbold, Joseph. Anlisis del tamao de partcula. Obtenido: 7 de noviembre de 2014. Disponible en: http://es.slideshare.net/andrea0406/tamao-de-particulas?related=1