procesamiento de solidos granulares

8/12/2019 Procesamiento de Solidos Granulares

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I. PROCESAMIENTO DE SOLIDOS GRANULARES

A. REDUCCIN DE TAMAO Y TAMIZADO DE SLIDOS:

En la industria suele ser necesario desmenuzar los slidos, mediante la aplicacin

de fuerzas mecnicas. Las razones para esta reduccin de tamao son lassiguientes:

La reduccin de tamao puede facilitar la extraccin de un determinado

constituyente deseado, presente en una estructura compleja, como sucede, por

ejemplo en la obtencin de harina a partir de granos de trigo, o de jarabe, a partir

de caa de azcar.

La reduccin a un tamao definido puede constituir una necesidad especfica

de producto, como sucede, por ejemplo, en la elaboracin del azcar para glasear,

en la preparacin de especias y en el refinado del 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:

1. El tiempo de secado de los slidos hmedos se reduce mucho aumentando su

rea superficial.

2. La velocidad de extraccin de un soluto deseado crece al aumentar el rea de

contacto entre el slido y el disolvente.

3. El tiempo necesario para ciertas operaciones-horneo, escaldado, etc.- se

puede reducir troceando los productos sometidos al proceso.

La mezcla ntima suele facilitarse si las partculas son de tamao ms pequeo, lo

que constituye una consideracin importante en la elaboracin de algunospreparados, como sopas empaquetadas, mezcla para biscochos, etc.

En general, se pueden distinguir tres tipos de fuerzas. Los tipos de fuerzas

que predominan en algunas de las trituradoras de uso frecuente en la industria

alimentaria son las siguientes:

Fuerza Principio Aparato Compresin (cascanueces) Rodillos trituradores Impacto

(martillo) Molino de martillos Cizalla Frotamiento (piedra de molino) Molino de

discos. Las fuerzas de compresin se utilizan para la trituracin grosera de

productos duros. Las fuerzas de impacto se pueden considerar de uso general,

emplendose en la molienda fina, media, y gruesa de muy diversos productos

alimenticios. Las fuerzas de cizalla en aparatos para la trituracin de productos

blandos, no abrasivos, para obtener piezas de tamaos muy pequeos, es decir,

en la molienda fina


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TRITURACION:

El termino trituracin (crushing) se aplica generalmente al desmenuzamiento de

materiales muy gruesos hasta tamaos del orden de 3mm. Molienda es, en

cambio, un trmino empleado para referirse a la obtencin de productos en polvo.

La trituracin se suele llevar a cabo aplicando fuerzas de compresin y la moliendamediante fuerzas de cizalla.

Numero de etapas de reduccin de un proceso dado:

En un proceso de reduccin de tamao, se obtienen partculas de tamao muy

variable y, con frecuencia, se necesita clasificarlas en grupos que cubren un

determinado rango de dimensiones. La especificacin de un producto suele

requerir que no contenga partculas mayores de (o menores de, segn el proceso)

un cierto tamao. En los estudios de reduccin de tamao suele hacerse

referencia al de las partculas, en trminos de apertura de malla. La complejidad

de una instalacin de reduccin de tamao, es decir, el nmero de aparatos

individuales y etapas de separacin necesarios, varan con el producto a tratar y

las categoras de tamao deseadas. Para la produccin de piezas solidas

relativamente grandeza polvo fino, se requerirn varias etapas, cada una de las

cuales logra una determinada reduccin de tamao. La figura 4.1 muestra el

diagrama de una instalacin tpica, con tres etapas de reduccin.

Relacin de reduccin (R.R)

La relacin, tamao medio del material de partida tamao medio del producto. Se

conoce como relacin de reduccin y se utiliza para predecir la conducta msprobable de un aparato. Las trituradoras, utilizadas con materiales muy gruesos,

tienen relaciones de reduccin inferiores a 8:1, mientras que, en la molienda fina,

se pueden lograr relaciones de100:1. Depende, en gran manera, de la mquina y

del producto de partida. Los valores promedio del tamao de la carga y el producto

resultante dependen del mtodo de medida. Se usan diferentes dimetros

promedio, segn el mtodo empleado para determinar la distribucin de tamaos

de partcula y la interpretacin estadstica de los resultados obtenidos. Por su

simplicidad y su aplicabilidad a tamaos de partcula muy diversos, en la industria

alimentaria se suele preferir el tamizado.


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Consideraciones en que se basa la seleccin de los equipos:

El objetivo primordial de un proceso econmico de reduccin de tamao es lograr

la reduccin deseada al costo mnimo. Tanto los costos de adquisicin, como los

de operacin y mantenimiento juegan un papel importante en la rentabilidad del

proceso, por lo que se deben considerar cuidadosamente los de las diferentes

alternativas posibles, antes deseleccionar cualquier sistema concreto. Al disear

las caractersticas del proceso del que se trate, es obligado considerar los

diferentes equipos utilizables. En general, ser necesario conocer las

caractersticas de los productos de partida, de las maquinas existentes y de

los productos finales. Una de las primeras etapas en la especificacin del equipo

de reduccin de tamao es averiguar cuanto sea posible sobre las caractersticas

del producto de alimentacin. North da una lista de caractersticas que hay que

tener en cuenta, entre las que se incluyen: la dureza, la abrasividad, la untuosidad,

las temperaturas de ablandamiento o fusin, la estructura, el peso especfico, el

contenido en agua libre, la estabilidad qumica, la homogeneidad y la pureza. Las

propiedades relevantes en un determinado proceso varan mucho con los


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(b)Muchos productos alimenticios slidos, cuando estn finamente divididos, son

muy inflamables; en la industria alimentaria, no son desconocidas las explosiones

de polvo. La presencia de pequeas cantidades de agua contribuye a reducir el

polvo y, en aquellos casos en los que el agua es aceptable, es frecuente usar

aspersores para reducir la formacin de polvo. En ciertas aplicaciones, se

introducen en el sistema de molienda grande cantidades de agua. El aguatransporta las partculas slidas por la zona de accin, en forma de una papilla de

flujo libre. El maz se suele someter a esta tipo de molienda.

Sensibilidad a la temperatura:

En la zona de accin de un molino, se produce friccin entre partculas. Las

partculas pueden sufrir esfuerzos inferiores a sus lmites elsticos, que no los

facturan, liberando en forma de calor la energa de deformacin absorbida, al

cesar el esfuerzo. El calor proveniente de estas dos fuentes puede elevar

considerablemente l la temperatura de los productos procesados y degradados. En

los productos sensibles a las temperaturas elevadas, es importante conocer, no

solo su estabilidad qumica, sino tambin sus temperaturas de ablandamiento o

fusin. Si el calor generado lleva a la produccin de una carga untuosa, el molino

puede embotarse, disminuyendo la eficacia del proceso. Cuando se trabaja con

materias primas termos sensibles, puede, por ello, ser entorno a la zona de accin.

Para evitar las prdidas de los componentes termolbiles durante la reduccin de

tamao, puede recurrirse a la trituracin criognica, mezclando con el alimento

dixido de carbono solido o nitrgeno lquido. Este mtodo es til tambin la

reduccin de tamao de materiales fibrosos, como la carne, que tiende a

deformarse, ms que fracturarse, al someterlos a un esfuerzo.

Aparatos para la reduccin de tamao:

Para la trituracin de los productos alimenticios se dispone de aparatos de

diferentes tipos y tamaos. Los tipos ms grandes, como las trituradoras de

mandbulas y las giratorias, no se utilizan normalmente en la industria alimentaria.

Trataremos a continuacin de los tipos de mquinas utilizadas corrientemente, en

esta industria.

Trituradoras de rodillo

En estas mquinas, dos o ms rodillos pesados, de acero, giran en sentido

contrario. Las partculas de la carga quedan atrapadas y son arrastradas entre los

rodillos; se ven as sometidas a una fuerza de compresin que las tritura. En

algunos aparatos, los rodillos giran a diferente velocidad, generando tambin

esfuerzos de cizalla. La produccin de estas unidades est regida por la longitud y

el dimetro de los rodillos y por la velocidad de rotacin. Con los dimetros

mayores, se utilizan corrientemente velocidades de 50-300 rpm. Las relaciones de


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reduccin de tamao son pequeas, en general, inferiores a 5. El dimetro de los

rodillos, su velocidad diferencial y el espacio que entre ellos queda, se pueden

variar para adaptarlos al tamao del material de partida y la velocidad de

produccin deseada. Aunque dispone de un resorte de compresin para el exceso

de carga, a fin de proteger la superficie de los rodillos, hay que eliminar los

cuerpos extraos duros antes de la trituracin

Si se conoce la densidad a granel de la corriente de descarga, se puede estimar la

velocidad de flujo msico aproximada. En la prctica, la capacidad real vale de 0,1

a 0,3veces la terica. Los rodillos trituradores se utilizan para una trituracin

intermedia y se usan mucho en la molienda del trigo y en la refinacin de

chocolate. En otros casos, la superficie de los rodillos puede ser estriada, para

facilitar la friccin y la separacin. La eficacia del molino y la calidad de las

semolinas producidas pueden verse por la orientacin de las estras. Para latrituracin de productos ms frgiles, se usan trituradoras de rodillos sencillas, que

comprimen la carga entre el rodillo y un plato estacionario.

El molino de martillos:

Este tipo de molino de impacto o percusin es corriente en la industria alimentaria.

Un eje rotatorio que gira a gran velocidad lleva un collar con varios martillos en

su periferia. Al girar el eje, las cabezas de los martillos se mueven, siguiendo una

trayectoria circular en el interior de una armadura, que contiene un plato de ruptura

endurecido, de dimensiones casi idnticas a la trayectoria de los martillos. Los

productos de partida, o corriente de alimentacin, pasan a la zona de accin,

donde los martillos los martillos los empujan al plato de ruptura. La reduccin del

tamao se debe principalmente a las fuerzas de impacto, aunque, en condiciones

de alimentacin de obturantes, tambin pueden participar en la reduccin de

tamao las fuerzas de friccin. Con frecuencia, los martillos se sustituyen por

cortadoras o por barras, como en los molinos de barras


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Los molinos de martillo se pueden considerar de uso general, ya que son capaces

de triturar slidos cristalinos duros, productos fibrosos, vegetales, productos

untuosos, etc. Se utilizan mucho en la industria alimentaria para moler especias,

leche deshidratada, azucares, etc. No se recomienda para la molienda fina de

materiales muy duro, por el excesivo desgaste que, en este caso sufren.

Molinos de disco:

Los molinos que utilizan las fuerzas de cizalla para la reduccin de tamao juegan

un papel primordial en la molienda fina. Como la molienda se usa en la industria

alimentaria fundamentalmente para producir partculas de tamao muy pequeo,

esta clase de molinos es muy comn.


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Molino de disco nico:

En este modelo, los materiales de partida o de alimentacin, pasan a travs del

espacio que queda entre un disco estriado, que gira a gran velocidad, y la armadura

estacionaria del molino. La trituracin de la carga se debe a la intensa accin

cizallante. La separacin entre el disco y la armadura se puede variar, segn el tamao

de las materias primas y las exigencias del producto acabado.

Molinos de doble disco:

En esta modificacin, la armadura tiene dos discos, que giran en direccin opuesta,

generando un esfuerzo de cizalla mayor que la que se puede conseguir con los

molinos de disco nico. En otra modificacin de este principio bsico, el molino de

Foss, los discos llevan estras que facilitan la desintegracin. Este tipo de molinos

cizallantes se utiliza mucho en la molienda de arroz y maz. En el molino de clavijas,

popular en la industria alimentaria, los elementos que rotan, lleva clavijas o

proyecciones. En este caso, juegan tambin un papel significativo en la ruptura de

fuerzas de impacto.

Molino de piedras:

Es el tipo ms antiguo de molino de disco, y fue utilizado originalmente como molinoharinero. Sobre un eje, se montan dos piedras circulares. La superior, que

corrientemente es fija, tiene una boca para la entrada de carga. La inferior gira. La

carga pasa por el espacio que queda entre las dos piedras. Los productos, una vez

sometidos a la fuerza de cizalla desarrollada entre ambas piedras, salen por el borde

de la piedra inferior. En algunos modelos, las dos piedras giran, en sentido opuesto. En

las maquinas modernas, las piedrasnaturales o artificiales estn siendo sustituidas

por acero endurecido .Este tipo de molino se usa todava en la molienda hmeda del

maz. Otras variantes se usan mucho en la elaboracin del chocolate. Por ejemplo, los

granos de cacao se trituran en tres piedras horizontales, aunque los procesos

modernos usan discos dentados, de acero endurecido, en lugar de piedras.


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Molinos gravitatorios:

Este tipo de molinos se emplean en numerosas industrias para obtener una molienda fina.

Existen dos tipos bsicos: el de bolas y el de barras.

Molinos de bolas:

En los molinos de bolas, se operan simultneamente las fuerzas de cizalla e impacto.

Estn constituidos por un molino giratorio, horizontal, que se mueve a poca velocidad, en

cuyo interior se halla un cierto nmero de bolas de acero o piedras duras. A medida que el

cilindro gira, las piedras se elevan por las paredes del cilindro y caen sobre el producto a

triturar, que llenan el espacio libre entre las bolas. Las bolas tambin giran y cambian de

posicin unas con respecto a las otras, cizallando el producto a moler. Esta combinacin

de fuerzas de impacto y cizalla produce una reduccin de tamao muy eficaz. El tamao

de las bolas suele ser de 2-15 cm. Las bolas pequeas proporcionan ms puntos de

contacto, pero las grandes producen mayor impacto. Al igual que en todos los molinos, las

superficies se desgastan, por lo que hay que vigilar la posible contaminacin del producto.

Cuando las velocidades de rotacin son pequeas, las bolas no se elevan mucho por las

paredes del cilindro; giran unas sobre otras, de forma que predominan las fuerzas de

cizalla. A velocidades superiores, se elevan ms y crecen las fuerzas de impacto. Las

fuerzas de impacto y cizalla juegan un papel similar en la reduccin. A velocidades altas,las bolas no se separan de la pared, debido a la fuerza centrfuga. En estas condiciones,

no hay molienda. Para conseguir una molienda eficaz, no se debe superar la velocidad

crtica, que se define como aquella a la que una bola pequea, esfrica, situada dentro del

molino, empieza a ser centrifugada. Se puede demostrar que la velocidad critica, en

r.p.m., viene dada por: Siendo D el radio del molino en metros. En la prctica, la

velocidad ptima se sita dentro del 75% de la velocidad crtica, y se debe determinar en

las condiciones en la que opera en la instalacin industrial. Una variante del molino de

bolas convencional que est encontrando una utilizacin creciente, para lograr

trituraciones muy finas, es el molino de bolas vibratorio, en el que la cmara que contiene

las bolas vibra por la accin de dos pesos desiguales, colocados cada uno en un extremo

del eje de un motor elctrico. La energa impartida por las paredes de la cmara de

trituracin se transmite al medio y al producto a triturar, que llena los espacios que quedan

entre las piezas trituradoras.

En estos molinos, puede variarse el volumen vaco usando bolas de distinto tamao. En el

molino Vibro Energy, el volumen vaco, utilizando esferas, es del 37%, en tanto que si

emplea cilindros se reduce al 25%. Cuanto ms bajo sean los volmenes vacos, ms


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delgadas resultan las capas del producto atrapado y tanto son mejores las condiciones

para una molienda ultra fina. El medio triturador vibra sin movimiento relativo apreciable,

de manera que las fuerzas de cizalla son mnimas, por lo que las eficaces son las de

impacto. Los molinos vibratorios estn encontrando tambin un amplio uso como

mezcladoras y dispersoras.

Molinos de barras:

En ellos, las bolas se sustituyen por barras de acero. Operan las fuerzas de impacto y

cizalla, pero el efecto de las de impacto es menos acusado. Se recomienda utilizar

molinos de barras con sustancias untuosas, que se adhieren a las bolas, a las que restan

eficacia. Las barras tienen la longitud del molino y, como el caso de las bolas, ocupan un

50% del volumen del molino.

Funcionamiento de las instalaciones de reduccin de tamao:

Se pueden considerar varias formas de operar, sin que ello quiera decir que todas sean

aplicables a un producto alimenticio determinado, o que se adapten a las exigencias de

un proceso concreto. El objetivo primordial es alcanzar reduccin de tamao deseada,

al costo mnimo.

Molienda en circuito abierto:

Es el mtodo de funcionamiento ms sencillo de un molino. No precisa sistema de

clasificacin auxiliar (tamices vibratorios, etc.), por lo que el capital a invertir en la

instalacin es pequeo. La corriente de alimentacin entra en el molino, pasa por la zona

de accin y se descarga como producto. No es posible el reciclado de gruesos (partculas

que tienen un tamao mayor que el deseado). Como algunas de las partculas grandes

atraviesan rpidamente el molino y otras de tamao pequeo tienen tiempos de

residencia largos, se obtiene un producto con una amplia distribucin de tamaos. La


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eficacia energtica no es buena, ya que numerosas partculas de tamao aceptable se

reducen an ms, debido a un tiempo de residencia excesivo en la zona de accin

Trituracin libre:

Con esta forma de operar, los tiempos de residencia en la zona de accin son cortos. Asocurre en la molienda en circuito abierto si la alimentacin tiene lugar por gravedad, a

travs de la zona de accin. Se limita, con ello, la ruptura innecesaria de las

partculas pequeas, con lo que se reduce la formacin de partculas ultra finas (aquellas

de tamao inferior al deseado). Esta forma de operar economiza energa pero, como

algunas partculas grandes pasan rpidamente a travs de la zona de accin, puede

resultar en una distribucin amplia de tamaos en el producto final.

Alimentacin en exceso:

Se consigue restringiendo la descarga del producto, colocando una rejilla a la salida del

aparato. Para una velocidad de alimentacin determinada, los productos permanecen en

la zona de accin hasta que el tamao de sus partculas les permita pasar por la rejilla.

Como los tiempos de residencia pueden ser grandes, lo ms probable es una molienda

excesiva de las partculas ms pequeas, con lo que se obtienen ultra fino, a expensas de

un gran consumo energtico. La alimentacin en exceso puede ser til, cuando se quiere

obtener un producto finamente dividido. Permite lograr una relacin de reduccin

relativamente grande con una sola mquina.

Molienda en circuito cerrado:

El tiempo de residencia de los productos se acorta, dejndolos caer por accin de lagravedad o transportndolos rpidamente, a travs de la zona de accin de la mquina,

arrastrados por una corriente liquida o gaseosa. La corriente de descarga pasa a un

sistema de clasificacin, en el que se retiran los gruesos, que se reciclan otra vez al

molino. De esta forma, el molino trabaja con partculas grandes, con lo que se minimiza el

consumo intil de energa. Los mtodos de clasificacin a utilizar dependen del sistema

de transporte. Cuando el flujo es por gravedad o por un sistema transportador mecnico,

se suele emplear tamices vibratorios. Cuando el transporte es hidrulico o neumtico, se

emplean separadores de cicln.

Molienda hmeda:

La carga se muele en forma de suspensin, en la corriente liquida (frecuentemente de

agua) que la transporta. Se elimina as el problema creado por el polvo en la molienda

seca y puede, utilizar, para separar las fracciones de tamao deseadas, las tcnicas de

clasificacin hidrulicas, como la sedimentacin y la centrifugacin. En la industria

alimentaria, la molienda forma parte de procesos de extraccin, en los que se transfiere


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un constituyente soluble, del producto inicial a la corriente liquida, para recuperarlo luego

por evaporacin, como en la molienda del maz.

En la molienda hmeda el consumo de energa es alto en general. Tambin puede

aumentar el desgaste del molino. La molienda hmeda tambin tiende a producir

partculas ms finas que las que se obtienen en la molienda en seco, razn por la que seusa mucho para la molienda ultra fina.

Desintegracin de sustancias fibrosas: corte en rodajas, troceado en cubos,

desmenuzamiento y transformacin en pulpa

Muchos productos alimenticios como la carne, las frutas secas y las hortalizas, poseen

una estructura fibrosa y contienen cantidades apreciables de lquido. Como no son

cristalinos las fuerzas de compresin contribuyen poco o nada a la desintegracin. Dichas

fuerzas juegan, sin embargo, un papel importante en el estrujamiento, otra funcin bsica

que supone reduccin de tamao, y cuya finalidad es la extraccin de lquido. Para la

desintegracin de productos fibrosos en general se utilizan fuerzas de cizallante impacto,

casi siempre aplicada por medio de una arista cortante. La mayor parte de los aparatos se

parecen a los empleados con sustancias secas y pulverulentas (los martillos de un molino

de percusin se pueden sustituir por cuchillas que aplican las fuerzas de impacto a lo

largo de un filo cortante; o los mollinos de disco pueden llevar estras o dientes de sierra

en las caras del disco, para producir des garros).En operaciones de reduccin de tamao

ms especializadas, puede ser necesario obtener partculas de forma especfica y tamao

uniforme, a fin de simplificar su manejo, facilitar los procesos de velocidad (como la

deshidratacin o el tratamiento trmico) o mejorar la apariencia del producto. Adems, los

slidos fibrosos pueden requerir su conversin en pulpa semislida y blanda. Estas

operaciones de reduccin de tamao ms especficas requieren aparatos de diseo

especial. Una de las operaciones de corte ms especializadas es el rebanado o corte enrodajas.

Rebanado o corte en rodajas

En este proceso se suelen utilizar cuchillas rotatorias; las cuchillas estn situadas

deforma que corten los productos que se les acercan generalmente arrastrados por una

cinta vibratoria, en rodajas paralelas del espesor deseado. En otros sistemas las frutas

pasan a travs de un tubo con filos cortantes estacionarios, situados radialmente a lo

largo de toda su longitud. Este tipo de instalacin obtiene secciones, en forma de cua, de

frutas firmas, como las manzanas.

Troceado en cubos

Las rodajas obtenidas se colocan sobre una cinta transportadora que contiene una serie

de estras que mantienen las rebanadas en la posicin correcta, la cinta las arrastra hasta

un punto, en el que una cuchilla giratoria las corta en tiras. Las tiras pasan luego por otra

zona de corte en ngulo recto con la anterior. El resultado son los cubos requeridos.

Desmenuzamiento:


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Es una operacin frecuentemente usada como la etapa preliminar de la deshidratacin, ya

que el aumento de la superficie acelera los procesos de velocidad. Para ello, se utilizan

con frecuencia los molinos de martillo. El eje rotatorio lleva cierto nmero de discos, cada

uno de los cuales tiene una serie de artistas de impacto en su periferia. Los martillos

tambin pueden estar pivotados, de forma que golpeen. Para desmenuzar alimentosfibrosos, son tiles cilindros concntricos gemelos, con sus superficies provistas de aristas

cortantes a lo largo de toda su longitud, que giran en sentidos opuestos. La carga ingresa

en el cilindro interior y pasa a la zona de accin entre ambos. El desmenuzamiento se

produce por la intensa accin cizalla y corte a que los materiales se ven sometidos;

el producto desmenuzamiento pasa a travs del cilindro exterior hasta una tolva.

Forma de pulpa

Para la obtencin de pulpa, se suele utilizar una maquina constituida por un tamiz

cilndrico que contiene cepillos que giran a gran velocidad. El producto a transformar

en pulpa ingresa en el cilindro y se ve forzado a atravesar el tamiz. Los rabos, las pieles y

las semillas se deslizan sobre la superficie del tamiz y se expulsan como los desechos.

Para el desmenuzamiento de la fruta, se puede usar una maquina provista de paletas de

paletas que giran a gran velocidad. Antes de su transformacin en pulpa, algunas frutas

se calientan, para ablandarlas, ya que su ablandamiento mejora su rendimiento en pulpa.

Conservacin de los fieles

Si las cuchillas se mantienen bien afiladas, no solo se reduce la disipacin intil de

energa, sino tambin el nmero de piezas de producto defectuosas (magulladas o

desgarradas), que casi siempre aparecen si las superficies de corte estn embotadas omelladas. Para prolongar la vida de los filos, las cuchillas deben ser de acero endurecido

o de materiales semejantes y hay que eliminar, durante la limpieza de la materia prima,

todas las sustancias extraas (piedras, virutas metlicas, etc.), que puedan daarlas. Las

cuchillas se montan en ejes rotatorios que giran a gran velocidad, en parejas, que deben

estar bien equilibradas, por lo que es preciso prestar gran atencin a su desmontaje,

afilado y recolocacin


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Energa necesaria para la desintegracin de los slidos:

Para averiguar el consumo de energa en las operaciones de desintegracin (corte,

desmenuzamiento o troceado) se debe tomar en cuenta las etapas involucradas; de las

cuales se distinguen las dos siguientes:

1. fractura inicial a lo largo de grietas ya existentes o de planos de unin en la masa

del material a fragmentar.

2. Formacin de nuevas grietas o puntos de fisura, seguida de fractura a lo largo de

las mismas. Una partcula se puede definir como un elemento discreto de un slido

cualquiera que sea su tamao. Cuando a una partcula se la somete a un

esfuerzo, por aplicacin de una fuerza primero se deforma y luego se rompe.

Segn la naturaleza de la fuerza y la resistencia mecnica el material puede:

a. sufrir una deformacin elstica, es decir deformarse dentro del lmite de

elasticidad y recobrar su forma original cuando deja de actuar,

b. sobrepasar el lmite elstico y sufrir una deformacin permanente, si el

esfuerzo es lo bastante grande.

c. A medida que aumenta el esfuerzo aplicado, la partcula entonces puede

romperse (materiales frgiles) o seguir deformndose (materiales dctiles)

hasta alcanzar su lmite de elasticidad (este lmite le es propio a cada material,

lo cual influye en el esfuerzo de desintegracin y al mismo tiempo en la energa

necesaria para su desintegracin).Las partculas contienen planos dbiles a lo

largo de los cuales se puede iniciar la rotura cuando son sometidas a los

esfuerzos de cizalla. En las partculas grandes, la rotura puede producirse a lo

largo de fisuras preexistentes (planos de fractura). Como las partculas ms

pequeas ofrecen menos planos de fisuras, su esfuerzo de rotura es an

mayor (las deformaciones elsticas no son valiosas en la trituracin, consumenenerga, pero no inician la rotura de la partcula). La deformacin elstica y la

friccin interparticulas convierten a la reduccin de tamao en una operacin

muy ineficiente, de un rendimiento enrgico pobre.

AUMENTO DE TAMAO

Las operaciones de aumento de tamao se utilizan en la industria alimentaria con

diversos fines, tales como optimizar el manejo y capacidad de fluir de materiales

granulados, reducir mermas por exceso de finos en ciertos productos, producir formasespecficas, mejorar la apariencia, etc. Las operaciones de aumento de tamao se

denominan de diferentes formas e incluyen trminos como compactacin, pastillado,

granulado y extrusin.

Independientemente de la diversidad de trminos mencionados, en procesamiento de

alimentos se presentan dos operaciones importantes de aumento de tamao: la

aglomeracin (por tambaleo), que tiene como objetivo controlar la densidad a granel y la

porosidad de materiales alimenticios para mejorar propiedades funcionales como la


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solubilidad, y la compactacin (por presin), en la que se busca obtener formas

especficas como tabletas y comprimidos.

AGLOMERACION POR TAMBALEO

Fig ur a N1: Fuerza de los agl om erad os

(a) fusin parcial por temperatura

(b) endurecimiento por reaccin qumica(c) formacin de puentes lquidos

(d) fuerzas de tipo intermolecular

(e) entrelazado mecnico

(f) fuerzas capilares

El nmero de sitios de interaccin de cada partcula dentro de la estructura del

aglomerado se conoce como el nmero de coordinacin. Las partculas en un

aglomerado pueden ser numerosas, por lo que una estimacin del nmero de

coordinacin puede dificultarse. Se pueden efectuar mediciones indirectas del nmero de

coordinacin en funcin de otras propiedades del aglomerado. Idealmente, en

aglomerados regulares de partculas mono dimensionadas, el nmero de coordinacin

K y la porosidad se relacionan por:

k.

La ecuacin anterior provee una buena aproximacin de los nmeros coordinados de

estructuras de aglomerados ideales. La siguiente tabla enlista valores de nmeros de


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coordinacin calculados por medio de la ecuacin mencionada y comparados con el

nmero ideal para diferentes estructuras.

La fuerza de la estructura de los aglomerados depende fundamentalmente dela porosidad

y del tamao de partcula, as como del rea superficial especfica. La relacin ser

inversamente proporcional en ambos casos, o sea, mayor resistencia del aglomerado a

menor porosidad y rea superficial.

Los aglomerados cuyos poros se saturan de lquido obtienen resistencia de la capilaridad

negativa de la estructura. Una relacin para este caso es:

Dn

de:

c [=]

es

un

fact

orde

corr

ecci

n

a

[=]

es


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la tensin superficial del lquido[=] es el dimetro equivalente superficial de la partcula

Figu ra N2: Mtodo s d e Ag lomeracin-Equip os para aglomeracin po r t amb aleo

(a) disco inclinado rotatorio(b) tambor inclinado rotatorio

(c) mezclador de listn para polvos

(d) lecho fluidizado

AGLOMERACION POR PRESION

Para compactacin por alta presin y los efectos de ligadores en las formas estructurales,

no existen muchas relaciones reportadas en la literatura. Las tendencias generales, en

cuanto a resistencia, sern aproximadamente similar a las de los aglomerados, con

efectos importantes de variables como porosidad, rea superficial, rea de contacto y

adhesin. Para polvos no metlicos, la siguiente relacin puede emplearse para calcular

la presin aplicadap necesaria para obtener un compactado estable:

Log p= mVR+b

Donde:

VR [=] representa la relacin V/VS


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V [=] el volumen del compactado a una presin dada

VS [=] el volumen del material a compactarse

m y b [=]son constantes

SELECCIN Y DISEO

Velocidad de saltacin

La velocidad de saltacin se define como la velocidad de aire requerida para suspender,

fluidizar, y prevenir la precipitacin de un material slido granular de un tamao, forma y

densidad en particular.

Para el clculo de la velocidad de saltacin se determina un parmetro relacionado al

dimetro de partcula por medio de la siguiente ecuacin. En caso de presentarse unrango amplio de tamaos, se calcula para las partculas ms grandes y ms pequea.

[ () ]

Dnde:

[=] es el dimetro de la partcula[=] es la viscosidad el gas,g [=] es la aceleracin de la gravedad

[=] las densidades del gas y slido respectivamente

Por medio de grficas de diseo, como la mostrada en la figura de la siguiente diapositiva,

se calcula el parmetro y a partir de este se obtiene la mnima velocidad de transporte

para una partcula relacionado a la velocidad de saltacin sencilla por medio de lasiguiente relacin:

[( )

(

) ]

Dnde:

[=] es el dimetro de la tubera en mm, pero se toma como valor absoluto para elanlisis dimensional.


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Fig ur a N3: Veloc id ad mnima de tr ans po rte p ara una partcu la s impl e en una

tu bera de 63.5 mm de d imetr o

Se calcula enseguida la pendiente de la curva n correspondiente al valor de .Paraslidos de amplio rango de tamaos, n es la pendiente de la lnea que une los valores

De para las partculas menor y mayor. Finalmente secalcula la velocidad desaltacinde la siguiente ecuacin:

Para n>0.068 . Asi como :

Para: -0.11>n>0.068

Donde:[=] es la velocidad msica de slidos (kg/m2s) si la velocidad lineal u est expresada enm/s

La velocidad equivalente a la de saltacin, para el caso de tuberas verticales, se conoce

como la velocidad de estrangulacin o ahogamiento, y para partculas de tamao

especfico es aproximadamente igual a la velocidad de saltacin. Para una mezcla de

partculas de diversos tamaos la velocidad de estrangulacin equivale aproximadamente

a la cuarta parte de la velocidad de saltacin.

Por lo que respecta a la cada de presin a travs del sistema, se determina calculando

los cambios de energas potencial, cintica y de friccin en las secciones horizontal y


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vertical, as como en los codos separadamente, a lo largo de todo el trayecto de

transporte. La magnitud de la cada de presin determinar el suministro de energa, por

lo que repercute directamente en costos y seleccin de equipos.

Se pretende que los sistemas operen a la mnima velocidad posible, tan cerca de la

velocidad de saltacin como las variables de operacin lo permitan, para minimizar

desgaste, consumos de potencia y costos.

En las secciones horizontales la prdida de energa potencial es cero. La ganancia en

energa cintica es dada por:

Dnde:

[=] es la velocidad de la partculaSi la partcula se ha acelerado a su valor mximo:

Dnde:

[=] es la velocidad del aire[=]es la velocidad terminal, la cual depende en el rgimen de flujo, siendo representadapor las siguientes relaciones:


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MEZCLADO DE SOLIDOS GRANULARES

La operacin unitaria en la que se contactan y combinan dos o ms materiales para

formar un nuevo sistema de propiedades nicas, se ha utilizado por mucho tiempo en

procesos industriales diversos. El mezclado se utiliza en la industria alimentaria con el

propsito de obtener caractersticas uniformes y homogneas de color, sabor, textura, etc.Desde que los componentes a mezclarse pueden existir en cualquier estado de la

materia, todas las combinaciones posibles (lquido con lquido, lquido con slido, etc.)

pueden darse en la prctica.

MECANISMOS DE MEZCLADO

Se reconoce la existencia de tres mecanismos en el proceso de mezclado de slidos:

Conveccin: Se produce cuando fracciones del sistema particulado total son

trasladadas a otra regin del espacio donde estn confinadas las mezclas. Se

logra en equipos que agitan o rotan la mezcla.

Difusin (no molecular): Un mezclado del tipo difusivo en slidos se refiere por

ejemplo al movimiento de partculas sobre superficies con una pendiente dada,

slo migran por gravedad, i.e. no hay que adicionar energa para el movimiento.

Por esfuerzos de corte: se producen planos de deslizamiento entre distintas

regiones de la muestra. Por ejemplo si la mezcla es muy cohesiva, es

recomendable utilizar equipos con paletas que ejerzan esfuerzos de corte a la

mezcla, en lugar de mezcladores tipo rotatorios.

En los equipos de mezclas es comn que ms de un mecanismo tenga lugar durante el

proceso de mezclado.

MEZCLADORES

Mezcladores de Tambor Rotatorio: En la Figura 10.1 se presentan diferentes tambores

rotatorios. Si bien existe un componente convectivo en el mezclado, el mecanismo

predominante es el difusivo (ocurre segregacin). En la Figura 10.2 se muestra un

mezclador de tambor con baffles internos para reducir la segregacin.


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Mezcladores convectivos: En este tipo de equipos la circulacin de slidos se logra dentro

de carcasas estticas en las que se disponen paletas que rotan. El mecanismo principal

de mezclado es la conveccin, sin embargo tambin se produce difusin y movimiento por

esfuerzos de corte. Uno de los equipos ms comunes es la mezcladora de cintas, donde

paletas helicoidales rotan dentro de un cilindro esttico.

Figura 10.3.

Otros tipos de mezcladores son los de tornillos, los cuales se muestran en la

Figura 10.4. Los tornillos elevan material desde el fondo y lo desplaza hacia el tope.


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Lechos fluidizados: En estos mezcladores el mecanismo de mezclado predominante es la

conveccin. En este equipo se puede llevar a cabo ms de una operacin unitaria, porejemplo recubrimiento, enfriamiento y mezclado.

Mezcladores de alto corte: Son parecidos a los rotogranuladores, en este caso el

mecanismo principal de mezclado son los esfuerzos de corte generados. Son muy usados

para el mezclado de polvos cohesivos.

Mezclas binarias

Una mezcla perfecta de partculas de igual tamao y distinto color (ver Figura 10.5) indica

que independientemente de la regin donde tomemos una muestra, encontraremos la

misma proporcin de partculas negras y blancas. La mezcla perfecta, a menos que se

haga la seleccin manual, no es posible obtenerla en una mezcla real. Lo que se pretende

lograr es una mezcla al azar y evitar tener mezclas segregadas (ver Figura 10.5).

Para cuantificar el grado de mezclado de un sistema debemos recurrir a ciertos

parmetros estadsticos que ya se han definido en el Captulo 3. El valor medio y la


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desviacin estndar de una distribucin estn dados por las siguientes ecuaciones

respectivamente.

Respecto al mezclado de partculas, Lacy en los 1950s desarroll algunas frmulas que

permiten estimar las diferencias (desviaciones) de composicin en mezclas. Observ que

en un sistema binario, donde la nica diferencia entre las poblaciones que se mezcla es el

color, la desviacin estndar de la mezcla al azar ( R ) est dada por:

Desviacin mnima

Donde n0 es el nmero de partculas en la muestra, p y q representan la fraccin en

nmero de los dos componentes en la mezcla (de modo que p+q=1). Si la mezcla se

encuentra al azar, la desviacin dada por la ecuacin anterior es entonces la mnima

posible.

Por el contrario, si la mezcla se encuentra totalmente segregada, la desviacin mxima

dada por Lacy es:

Desviacin mxima

Este ltimo caso es el peor caso que podemos esperar.

Segregacin

Las partculas que tienen iguales propiedades no se segregan. Si difieren en alguna

caracterstica el estado natural de la mezcla es ir a la segregacin, la cual puede ocurririnclusive luego de la etapa de mezclado; por ejemplo durante el transporte,

almacenamiento, llenado de recipientes, etc.

Causas de la segregacin

Las propiedades que favorecen la segregacin son las siguientes:


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Distribucin de tamao: El tamao es una de las principales causas de

segregacin. Cuanto ms anchas sean las distribuciones de tamao de partculas

mayor es la segregacin. Cuanto ms grandes son las partculas se observa

mayor segregacin.

Densidad: Las partculas muy densas se ubican preferencialmente en el centro de

las pilas. Cuando se utiliza aire para el transporte o fluidizacin, estas partculassedimentan con las ms gruesas.

Forma: Las partculas esfricas tienden a comportarse como slidos gruesos, en

cambio las no esfricas tienen un comportamiento similar a los finos.

Adhesin: Si algunas partculas experimentan adhesin con las paredes de una

lnea de transporte, puede conducir a problemas de segregacin.

Cohesividad: Si las partculas son cohesivas, tratan de estar juntas, por lo tanto se

reduce la segregacin.

Mecanismos de segregacin

A continuacin se presentan algunos mecanismos de segregacin usuales.

Segregacin por trayectoria: Las distancias recorridas por las partculas son

proporcionales al tamao de las mismas, cuanto ms grandes son se descargan a

mayor distancia (ver Figura 10.6 a y 10.7).

Percolacin de finos: Si la mezcla vibra, las partculas ms pequeas puede

percolar entre las grandes (Figura 10.6b). Por esta razn, los finos se encuentran

preferencialmente en el fondo y los gruesos en el tope. Tambin este efecto se

observa en la formacin de pilas (Figura 10.8), los gruesos se concentran en la

superficie de la pila y los finos en el centro de la misma.

Ascenso de partculas grandes debido a efectos de vibracin: Si una mezcla es

sometida a vibracin, las partculas ms grandes se mueven hacia arriba. Por

ejemplo se coloca una bola de acero en el fondo de un lecho de arena, luego de la

vibracin del lecho puede observarse que la bola asciende a la superficie. Este

efecto se denomina brazil nut effect. En Internet se encuentran interesantes

experimentos vinculados a este efecto. Si bien es muy conocido el efecto an no

se ha logrado darle una interpretacin cientfica convincente.


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Segregacin por elutriacin: Cuando una mezcla se fluidiza, las partculas ms

pequeas pueden elutriar siempre y cuando la velocidad del gas que circula

exceda la velocidad terminal de las mismas (Figura 10.6c).


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Reduccin de segregacin

La segregacin de partculas no puede ser eliminada por completo, sin embargo puedeser reducida. Los cambios en el sistema que pueden minimizar la segregacin son:

Modificacin de los slidos particulares: Una de las razones principales de

segregacin es la diferencia de tamao. Por lo tanto, es posible moler las ms

grandes o aglomerar las ms pequeas. Otra posibilidad es tamizar, y trabajar con

partculas en corte estrecho.

Modificacin del equipamiento: Por ejemplo cuando una mezcla se transporta por

un ducto, los gruesos (que fluyen en la parte superior de la tubera) son

descargados a mayor distancia que los finos. Se puede colocar en el punto de

descarga un plano que reduzca la segregacin al obligar a los gruesos a

integrarse a la corriente de finos (ver Figura 10.9).

Hemos visto que cuando se forman las pilas de slidos existe una segregacin natural,

concentrndose los finos en el centro de la pila y los gruesos en la superficie, una manera

de evitar esta segregacin es mover la tolva de descarga, de modo que la pila se

construya por sucesivas pilas.


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Modificacin del proceso:

Una posibilidad es agregar algn ligante a la mezcla para pegar las partculas finas a las

gruesas, sin embargo limitaciones del proceso como un valor mximo de humedad, etc.,

pueden hacer inviable este cambio operativo.Si la mezcla est compuesta por partculas de distinto tamao el transporte en lneas con

pendientes debe ser evitado.

procesamiento de solidos granulares

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