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ALMACENAMIENTO DE SÓLIDOS
Sergio Armando ArenasPeter G. Camacho C.
Jenniffer Solange Ayala John Jairo Martínez
Ing. Edgar Mauricio Morales
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CONTENIDO
Referencias
Conclusiones
Fundamentación Teórica
Introducción
Objetivos
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Almacenamiento de sólidosText
Text
INTRODUCCIÓN
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OBJETIVOS
Exponer las características de los diferentes depósitos identificando para
qué tipos de sólidos son funcionales de
acuerdo a las cualidades de estos.
Reconocer las ventajas y desventajas de cada tipode almacenamiento, teniendo en cuenta lascondiciones de diseño y los inconvenientes dealmacenamiento como la presión y elempaquetamiento.
Identificar las propiedades y características delos sólidos de acuerdo a su tamaño, consistenciay forma.
Diferenciar los tipos de depósitos y modo deempleo de acuerdo a las características de lossólidos a almacenar.
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Sólidos
Uno de los cuatro estados de agregación de la materia .
Oponen resistencia a cambios de forma y de volumen.
En procesos químicos los sólidos se encuentran másfrecuentemente en forma de partículas y son en general, másdifíciles de tratar que los líquidos, vapores o gases.
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Caracterización de Partículas Sólidas
Es necesario un conocimiento de las características de masasde sólidos en forma de partículas para el diseño de procesos ydel equipo que operan con corrientes que contienen talespartículas.Partículas sólidas individuales se caracterizan por su Tamaño,Densidad y Forma.
El tamaño y la forma se pueden especificar fácilmente parapartículas regulares, tales como esferas o cubos, pero parapartículas irregulares es preciso definirlos arbitrariamente.
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Forma de las Partículas
El diámetro equivalente se define a veces como el diámetro deuna esfera de igual volumen. Sin embargo, para materialesgranulares finos resulta difícil determinar con exactitud elvolumen .El área de la superficie se obtiene a partir de medidas deadsorción o de la caída de presión en un lecho de partículas
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Tabla 1. Esfericidad de varios materiales [2]
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Propiedades de Masas de Partículas:Las masas de partículas sólidas poseen muchas de las propiedades deun fluido.Ejercen presión sobre las paredes de un contenedor, fluyen a travésde un orificio o descienden por una tolva.
Diferencias con los líquidos y gases:las partículas se entrecruzan y adhieren por efecto de la presión y nopueden deslizar unas sobre otras hasta que la fuerza aplicada noalcanza un cierto valor, una presión aplicada en una dirección generaalguna presión en otras direcciones.
La densidad de la masa puede variar, dependiendo del grado deempaquetamiento de los granos.
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Los sólidos en forma de partículas se dividen en dos clases:cohesivos y no cohesivos.
Los materiales no cohesivos como grano, arena o briznas deplástico, fluyen fácilmente desde depósitos o silos.
Los sólidos cohesivos, tales como arcilla húmeda, secaracterizan por su dificultad para fluir a través de orificios.
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Almacenamiento de Sólidos
Almacenamiento a la Intemperie
Almacenamiento en Depósitos
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Presiones en Depósitos, Tolvas y Silos
La presión lateral ejercida sobre las paredes en cualquierpunto es menor que la calculada a partir de la carga dematerial.
La fuerza de fricción en la pared tiende a contrarrestar el pesodel sólido y reduce la presión ejercida por la masa sobre elfondo del contenedor.
La altura alcanza un valor aproximadamente tres vecessuperior al diámetro del depósito, el material adicionalvirtualmente no tiene efecto sobre la presión en la basela masa adicional es soportada por la pared y el lecho.
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Tipos de silos
En función del patrón de flujo
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Tipos de tolva e influencia en forma de flujo
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Esfuerzos en Recipientes de Flujo Axial-simétrico
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Esquematización de la formación de campos de esfuerzo activos y de arco o domo en silos
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Distribución de esfuerzos en silos
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Distribución de la carga en la pared de un silo
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Ecuación de Janssen del esfuerzo: presión estática vertical Pven paredes de recipientes cilíndricos
Donde: g es la aceleración de la gravedad, ρb es la densidad a granel de los
sólidos, D es el diámetro del silo, µ’ es el coeficiente de fricción sobre la paredy h es la profundidad de los sólidos almacenados. K’ es la relación de lapresión horizontal a la vertical y se puede expresar como:
Donde: δ es el ángulo efectivo de fricción interna de los sólidos
almacenados
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Descarga de depósitos
Descargan mejor a través de un orificio situado en el fondo.
Generalmente un fondo cónico o piramidal conduce a unapequeña salida circular cerrada con una válvula o a unalimentador rotatorio.
Por tanto, para iniciar el flujo y mantener el material enmovimiento, con frecuencia se requieren vibradores sobrelas paredes del depósito cuchillas rascadoras cerca del fondodel depósito, o chorros de aire en la abertura de descarga.
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Las operaciones en las que intervienen partículas solidas son:Reducción de Tamaño, Cristalización, Mezclado de Sólidos y pastasy Separaciones Mecánicas.
Equipos de Reducción de Tamaño:(1) compresión, (2) impacto, (3) frotación o rozamiento, y (4) corte.
Cristalización: Es la formación de partículas sólidas a partir de unafase homogénea.
Mezclado de Sólidos y Pastas: El mezclado de sólidos secos y depastas viscosas se parece en cierto modo al mezclado de líquidos debaja viscosidad.
Separaciones Mecánicas: Dos métodos generales son la utilizaciónde Tamizado o Filtración.
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Descarga Natural en Tolvas
Los límites de flujo en masa y flujo tipo embudo para tolvas cónicas y
para tolvas planas dependen del ángulo con la vertical θ, el ángulo
efectivo de fricción interna δ y el ángulo de fricción con la pared υ
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Abertura de la tolva para sólidos gruesos
Por medio de un análisis de fuerzas en equilibrio para un material granular enla zona de la tolva se puede demostrar que:
donde: σ 1 es el esfuerzo actuando en el arco a un ángulo de 45º, ρb es ladensidad a granel del sólido, g es la aceleración de la gravedad, B es la aberturade la tolva, H(θ) es un factor que toma en cuenta variaciones en grosor del arco,el ángulo con la vertical y el tipo de tolva (cónica o plana), y a es la aceleraciónde descarga del sólido granular
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Abertura de la tolva para sólidos gruesos
Se puede demostrar que la abertura mínima de la tolva para prevenir laformación del arco cohesivo es función del estado de equilibrio estático, o seacuando a=0, por lo que sustituyendo y despejando de la ecuación anterior:
La variable H(θ) tiene un valor de 2.4 aproximadamente para tolvas cónicas y de2.2 aproximadamente para tolvas con abertura cuadrada. Para determinar elvalor de σ 1 se hace uso de curvas de diseño.
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Abertura de la tolva para sólidos gruesosPara determinar el valor de σ 1 se hace uso de curvas de diseño, de la
función de falla ff y del factor de flujo ff, el cual puede definirse por la
relación:
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Abertura de la tolva para sólidos gruesos
El punto crítico de intersección en la figura
anterior se denota como esfuerzo de corte
crítico aplicado, siendo el esfuerzo definido
en las ecuaciones anteriores. Al obtenerlo
y sustituirlo se determinará la dimensión
mínima de abertura B min necesaria para
promover el flujo del material almacenado.
Para facilitar la estimación del factor de
flujo, se han elaborado gráficas de diseño
para tolvas cónicas y planas y para
diversos valores del ángulo efectivo de
fricción interna.
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Abertura de la tolva para sólidos gruesos
Caudal másico o velocidad de flujo
Puede deducirse una expresión a partir de los dos componentes de laaceleración
donde: a c es el componente convergente debido al canal de flujo y a v
es el componente debido al incremento de velocidad una vez que se
inicia el flujo.
ff es el factor de flujo crítico basado en la dimensión mínima de
arqueado, mientras que ffa es el factor de flujo real basado en la
dimensión de la abertura.
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donde: V es la velocidad de descarga y m es una constante cuyo valor es decero para tolvas planas y de la unidad para tolvas cónicas. Sustituyendo lasdos ecuaciones anteriores en la primeras y despejando av:
A medida que la velocidad de descarga se incrementa, av tiende a cero, por loque una velocidad terminal promediada Va se alcanzará sustituyendo av=0 enla ecuación previa, obtenemos la siguienterelación:
Abertura de la tolva para sólidos gruesos
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Abertura de la tolva para sólidos gruesos
El caudal en masa Q0 se representa por:
donde: B es el diámetro o ancho de abertura y L es la longitud deabertura.
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PILAS Si el material sólido que se va a almacenar es inerte a condiciones de intemperie,presenta inconvenientes:
Segregación del material: Los sólidos gruesos se acumulan en los bordes de lapila.
Contaminación: tanto del ambiente circundante como deterioro de la saludhumana debido al posible arrastre de partículas en el aire.
Lluvias: el material se expone a la humedad y al arrastre debido a lluvias.
Es necesario que el suelo sea compacto y con cierta pendiente de inclinación paraque drene el agua.
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Descarga Asistida:
Promotores de Flujo y Alimentadores
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Descarga Asistida:
Promotores de flujo: dispositivos activos
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Descarga Asistida:
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Promotores de flujo: alimentadores
Descarga Asistida:
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Descarga Asistida:
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DISPOSICIONES DE DESCARGA
El vertido del sólido a granel se realiza comúnmentemediante una cinta transportadora. Ésta crea un montículocuya forma depende de si la cinta transportadora es fija omóvil.
A. La descarga sobre la polea final forma un montón cónicoal extremo de la banda.
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B. Descarga sobre polea final para la distribución longitudinal mediante un transportador reversible.
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C. Descarga por medio de un basculador deslizante, paradistribuir materiales a uno o los dos lados del transportador atodo lo largo del recorrido del basculador.
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D. Descarga mediante basculadores fijos, con o sintransportador transversal a uno o los dos lados de labanda, a aberturas fijas de tolva o montones en lugaresescogidos.
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E. Descarga mediante rejas con bisagras a uno o más lugares fijos a lo largo de uno o los dos lados del transportador. Las rejas se pueden ajustar para dividir la descarga entre varios lugares, en forma simultánea, en las proporciones deseadas
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ANGULO DE REPOSO Y COMPACTACIÓN
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ANGULO DE REPOSO Y COMPACTACIÓN
Un cambio leve en la densidad a granel del material causa uncambio dramático en la capacidad de fluir. Un rasgo relevante deun polvo se refiere a la forma en que el esfuerzo de corte varía conel esfuerzo de consolidación. Las propiedades utilizadas paraidentificar y cuantificar las relaciones entre estos esfuerzos seconocen como “propiedades de falla o ruptura de polvos”
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Propiedades de falla
Las propiedades de falla son:
Ángulo efectivo de fricción interna (δ) Ángulo de fricción con la pared (φ) Función de falla (F) Cohesión (C) Adhesión (T)
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Determinación de las Propiedades de Falla
La Ecuación de Warren-Spring
Donde τ es el esfuerzo de corte, C es la cohesión, σ es el esfuerzo
normal, T es la adhesión, y n el índice de corte o cizalla (1 < n < 2)
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
El diseño de depósitos de almacenamiento para sólidos particuladosconsta básicamente de cuatro pasos:
1. Determinación de la resistencia y de las propiedades de flujo de lossólidos particulados a almacenar en las peores condicionesencontradas en la práctica.
2. Determinación de la geometría del depósito para proporcionar lacapacidad deseada y proveer un modelo de flujo con característicasaceptables y asegurar una adecuada descarga.
3. Estimación de las cargas ejercidas sobre las paredes del depósito y elalimentador bajo condiciones de operación.
4. Diseño y detalle de la estructura del depósito.
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TOLVAS DE FLUJO DE MASA TOLVAS DE FLUJO DE EMBUDO
1. Las partículas se segregan, pero se reúnen en la descarga.
1. Las partículas se segregan y permanecen segregadas.
2. Los polvos se desairean y no fluyen cuando se descarga el sistema.
2. La primera porción que entra es la última en salir.
3. El flujo es uniforme.3. Pueden permanecer productos en puntos muertos, hasta que se realiza la limpieza completa del sistema.
4. La densidad del flujo es constante. 4. Los productos tienden a formar puentes o arcos y, luego, a que se formen agujeros de rata durante la descarga.
5. Los indicadores de nivel funcionan adecuadamente.
5. El flujo es errático.
6. No quedan productos en zonas muertas, donde pudieran degradarse.
6. La densidad puede variar.
7. Se puede diseñar la tolva para tener un almacenamiento no segregado o para funcionar como mezcladora.
7. Los indicadores de nivel se deben situar en puntos clave, para que puedan funcionar adecuadamente.8. Las tolvas funcionan bien con sólidos de partículas grandes y flujo libre.
Tabla 2. características principales de las tolvas de flujo de masa y flujo de embudo [3]
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El tamaño de partículas Entre mayor sea el tamaño de la partícula, máslibre es el flujo de sólidos. Entre menor tamaño de partícula, el flujo es másdifícil debido al aumento del grado de compactación de las partículas
Contenido de Humedad La humedad es un problema ya que en ciertascantidades puede llegar a afectar el flujo de descarga
El Envejecimiento Parece que mejora la capacidad de flujo de algunosmateriales, puede ser debido a la oxidación de la superficie de las partículas,a la distribución más uniforme de la humedad y al redondeo de las esquinasde las partículas que provoca el manejo del mismo
ESPECIFICACIÓN DE SÓLIDOS A GRANEL PARA OBTENER EL MEJOR FLUJO
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EMBALAJE Y MANEJO DE PRODUCTOS SÓLIDOS
En ingeniería, se conoce como embalaje a todo empaque que contienedos toneladas métricas de producto.
Bolsas de Papel de capas Múltiples
Existen dos diseños de bolsas, las de válvula y las de boca abierta. La deválvula tiene los dos extremos cerrados y su llenado es por la válvula,mientras que la de boca abierta su sellado es después de su llenado porla parte abierta de la misma.
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Tambores
Son hechos de acero o de fibra. Son los segundos enimportancia después de las capas múltiples para suspensiones.Son muy utilizados para sólidos secos.
Cajas para granel
Son de papel kraft corrugado para productos secos y a granel.Las cajas grandes cargan de 0.5 a 2 toneladas y las pequeñas, de23 a 68 kg. Las grandes son utilizadas para enviar resinas y laschicas son para materiales de tamaño regular, tales como sodacaustica. Las cajas a granel contienen el producto dentro de unabolsa de polietileno, acojinamiento en los extremos ysellamientos con grapas u otros objetos de sellamiento.
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Conclusiones
Debido a que en los procesos químicos los sólidos son másdifíciles de tratar que los líquidos, vapores o gases, un buenalmacenamiento y transporte de estos para conservar suspropiedades se hace vital para hacer efectivos los procesos.
Este trabajo nos permite aplicar los conceptos vistos en laasignatura de manejo de sólidos y líquidos, dándonos unaventaja en el momento de enfrentarnos con concepcionessemejantes en el mundo real.
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REFERENCIAS1. HERNANDEZ, H.: Manejo de sólidos y separaciones sólido-sólido.
Universidad Industrial de Santander, 1991. Pag. 16 – 39.
2. MCCABE, W. & SMITH, J.: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.McGraw-Hill.1998. Pag .868-970.
3. RAYMUS, G.:“Handling of Bulk Solids and Packaging of Solids andLiquids”. PERRY’S CHEMICAL ENGINEERS’ HANDBOOK. McGraw-Hill.1999. pag. 27 – 51.
4. .“Silo” [en línea]: Wikipedia, la enciclopedia libre. Consultado: Diciembre11 de 2010.Disponible en web <http://es.wikipedia.org/wiki/Silo >.
5. “Tolva” [en línea]: Wikipedia, la enciclopedia libre. Consultado:Diciembre 11 de 2010.Disponible en web<http://es.wikipedia.org/wiki/Tolva>.
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REFERENCIAS
7. “Almacenamiento de sólidos, líquidos y gases, intercambiadores de calor”.[en línea]: pdf.Consultado: Diciembre 11 de 2010. Disponible en web.
8. “Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento”. [en línea]:Consultado: Diciembre 11 de 2010.Disponible en web<http://www.inglesa.com.mx/books/DYCTA.pdf>.
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