Operaciones Mecánicas

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Unidad I: Introducción a las operaciones mecánicas

1.1 Introducción

Las operaciones que se llevan a cabo en la industria y que conllevan cambios

físicos de los materiales manipulados se consideran como operaciones unitarias.

Las características de estas operaciones se citan a continuación:

Son de naturaleza física

Son comunes a todo tipo de industrias (sin cambio en el concepto, se limita

a cambios en el estado).

Las operaciones individuales tienen técnicas comunes y están

fundamentadas en los mismos principios científicos, independientemente

de los materiales a procesar.

Los métodos prácticos de ejecución de las mismas pueden ser más o

menos diferentes en la variedad de industrias.

Las operaciones que implican un cambio físico se denominan como operaciones

unitarias para indicar que cada operación es individual, por ejemplo la destilación,

se utiliza en una amplia gama de industrias y, normalmente, las condiciones de

funcionamiento son diferentes (temperatura, presión).

Una rama de las operaciones unitarias son las operaciones mecánicas, por

ejemplo, la reducción de tamaño, almacenamiento, filtración, etc.

Las operaciones mecánicas que involucran a las partículas sólidas son:

Reducción de tamaño por corte y molienda.

Mezclado sólido-sólido y sólido-líquido

Tamizado, flotación, separación magnética y separación electrostática. La

clasificación comprende las técnicas de separación de mezclas de sólidos

en fracciones y la clasificación en húmedo.

Separaciones sólido fluido: filtración, sedimentación y separación

centrífuga.

Separación gas sólido: colección de polvos, filtración, precipitación

electrostática.

Manejo de sólidos -almacenamiento, transporte y alimentación.

Ampliación de tamaño: peletización, aglomeración, granulación y extrusión

(Gavhane, 2009).

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1.2 Procesos de separación, reducción de tamaño y mezclado.

1.2.1 Fundamentos y definiciones.

La separación puede ser acompañada del uso de fuerza física-mecánica y no

necesariamente por las fuerzas moleculares, químicas y la difusión. Estas

operaciones requieren de fuerza física-mecánica actuando sobre las partículas,

líquidos y mezclas de partículas y no necesariamente sobre las moléculas

individuales. Las fuerzas física mecánica incluyen la gravitacional y la centrífuga,

las fuerzas mecánicas y cinéticas derivadas del flujo. Las partículas y/o fluidos son

separados por los efectos producidos por la fuerza aplicada.

La separación de los componentes de una mezcla de sólidos se realiza en función de las diferencias que puedan existir en las propiedades físicas de los mismos. Las técnicas de separación empleadas más empleadas con más frecuencia para efectuar las separaciones son las siguientes:

1- Diferencias de tamaño: Los componentes se separan por medio de filtros o tamices a través de los cuales pasan solamente aquellas partículas cuyo tamaño de grano sea menor que el de los poros del filtro o de los orificios del tamiz utilizado.

2- Diferencias de densidad: Se vierte la mezcla sobre un líquido adecuado (agua, aceite, mercurio, Etc.) en el que solamente flotarán aquellos componentes menos densos que el líquido utilizado.

3- Diferencias de solubilidad: Se vierte la sobre la mezcla un liquido en el cual solamente sean solubles algunos de los componentes. Los restantes quedarán en el fondo del recipiente, pudiendo separarse por filtración o por simple decantación.

4- Diferencia en las propiedades magnéticas: Algunas sustancias como el hierro, son atraídas por los imanes, por lo que con uno de éstos, se pueden separar de la mezcla.

Existen una gran variedad de equipos disponibles para las separaciones sólido

líquido a nivel industrial. La pregunta más frecuente es: ¿Cuál resulta ser la mejor

elección para mi empresa? Podemos tomar en cuenta las guías técnicas que se

han publicado para ayudar en la toma de decisiones, pero esto se complementa

con los conocimientos adquiridos sobre las operaciones mecánicas.

Existen cuatro pasos para la separación sólido-líquido. No todos los pasos están

presentes en todos los procesos.

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Los pasos son:

Pretratamiento

Concentración de sólidos

Separación de sólidos

Postratamiento

Pretratamiento Para incrementar el tamaño de las partículas y reducir la viscosidad

Químico Físico

Coagulación Cristalización

Floculación Reposo

Refrigeración/Calentamiento

Filtración del aditivo auxiliar

Concentración de sólidos

Para reducir el volumen de material a procesar

Clarificación Espesamiento

Sedimentación gravitatoria

Sedimentación gravitatoria

Filtración de flujo cruzado

Ciclones

Filtros de presión periódica

Separación de sólidos

Para separar sólidos de líquidos; para formar tortas conformadas por sólidos secos o para producir partículas libres de líquidos

Clarificación Filtración Centrifugación

Lechos granulados Vacío Sedimentación centrífuga

Tambores de capas Gravedad Filtración centrífuga

Presión Ciclones

Postratamiento Para remover sustancias solubles, remover humedad, reducir la porosidad de la torta o para preparar materiales para procesos posteriores

Físicos

Lavado

Secado

Rechazo

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El costo de las separaciones sólido-líquido está asociado al volumen de material

que se procesa. Equipos presurizados como los filtros de presión son más caros

para operar que los espesadores.

Reducción de tamaño

La reducción de tamaño se refiere a una operación en la cual las partículas sólidas

son cortadas o trituradas en equipos de molienda.

La reducción de tamaño es un proceso mecánico de ruptura de sólidos para

convertirlos en partículas más pequeñas sin alterar el estado de agregación. Esto

también se llama conminación.

Algunos materiales sólidos existen en medidas muy grandes que no pueden ser

usados directamente.

La reducción de tamaño se efectúa en la industria por alguna de las siguientes

razones:

Para incrementar la superficie de contacto de manera que se logre

incrementar la eficiencia de los procesos físicos o químicos. En muchas

reacciones y operaciones unitarias (ejemplo, lixiviación) que involucran

partículas sólidas, la tasa se incrementa al incrementar la superficie de

contacto entre el sólido y el solvente.

En la lixiviación, la tasa de extracción se incrementa porque se incrementa

el área de contacto entre el sólido y el solvente.

Para efectuar la separación de dos constituyentes en caso donde uno está

disperso en paquetes pequeños y aislados. Ejemplo: El maíz y la extracción

de almidón.

Para satisfacer las especificaciones estrictas en cuanto a las medidas de

los productos comerciales. (El café molido, la cocoa)

Para llevar a cabo mezclas de sólidos en operaciones sólido-sólido donde

el mezclado se optimiza cuando las partículas son más pequeñas (sopas en

polvo y sus aditivos).

Para mejorar la tasa de disolución, solubilidad, fuerza vinculante y

propiedades de dispersión. (Elaboración de chocolate, el azúcar se refina

para lograr un producto homogéneo, de manera que el consumidor no

perciba irregularidades en la textura del alimento)

Los equipos de reducción de tamaño de sólidos funcionan por:

Compresión

Impacto

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Desgaste o rozamiento

Corte

En general, la compresión es usada para la reducción de materiales gruesos y

duros (para producir relativamente pocos finos), el impacto da productos gruesos,

medios y finos, el rozamiento da productos muy finos de materiales suaves, no

abrasivos y el corte produce partículas de un tamaño definido y algunas veces de

formas de formas definidas con pocos o ningún fino.

Las operaciones de reducción de tamaño son llevadas a cabo en industrias de

procesamiento tales como la industria química, pinturas, cemento y procesos

alimenticios. En la industria de alimentos –azúcar, especias, granos, etc. En la

industria del cemento – cal, alúmina, arena y clinker, en la pinturas -pigmentos.

En la industria de fertilizantes – rocas de fosfato se reducen de tamaño.

Los equipos de reducción de tamaño se dividen en cuatro tipos principales, los

cuales se presentan a continuación. Las trituradoras se emplean en la ruptura de

grandes piezas de materiales sólidos dentro de pequeños bultos. Se puede contar

con trituradoras en serie y la trituradora primaria es capaz de producir partículas

de 150 a 250 mm. Una trituradora secundaria reduce las partículas procedentes

de la trituradora primaria y el producto puede tener medidas de alrededor de 6

mm. Los molinos se pueden emplear para reducir de tamaño el producto

procedente de las trituradoras. Un molido intermedio puede producir partículas de

malla 40. Un molino de finos da un producto de aproximadamente malla 200. Los

molinos ultrafinos son máquinas que se alimentan con partículas menores de 6

mm y producen tamaño de 1 a 6 µm. Las cortadoras por tener tamaño y forma

definidas, pueden lograr productos entre 2 a 10 mm de longitud.

Trituradoras (Gruesos y finos)

Trituradora de mandíbula: constan de una placa fija y otra móvil oscilante.

Trituradoras rotatorias.

Trituradoras de rodillos lisos.

Trituradoras de rodillos dentados.

Molinos ( intermedios y finos)

Los molinos son aparatos que reducen el tamaño de los trozos de material por

fricción e impacto con elementos móviles del interior del molino. Consiguen

tamaños de partícula del orden de 1mm. Los principales modelos son:

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Molinos de bolas: Contienen una cierta cantidad de bolas de un material muy duro

–cerámica, acero- que trituran el material al girar el cuerpo del molino. Son de uso

muy general.

Molino de barras. Son largos cilindros horizontales con rotación axial, que

contienen barras de acero de longitud igual a la del molino. Dan una fracción de

partículas finas muy baja.

Molinos de martillos. Contienen en su interior martillos oscilantes que golpean el

material al girar el molino.

Molinos de chorro. No contienen rellenos: la molienda se lleva a cabo al introducir

las partículas en una fuerte corriente de aire y chocar entre sí. Se usan para

obtener una elevada proporción de partículas finas sin contaminar el material con

restos de elementos trituradores de relleno. (Ibarz & Barbosa-Cánovas, 2005)

Molinos para ultrafinos

Molinos de martillos con clasificación interna

Molinos con flujo de energía

Molinos agitados

Máquinas para el cortado

Cortadoras de cuchillas (cutter), rebañadoras

Las trituradoras emplean la fuerza de compresión, los molinos emplean el impacto

y el rozamiento. Los molinos ultrafinos operan por rozamiento y las cortadoras

emplean cuchillas para el corte.

Mezclado

El mezclado es la dispersión de los componentes, uno en otro. Se presenta en

innumerables ejemplos en la industria alimentaria.

CARACTERÍSTICAS DE MEZCLAS

Idealmente, el proceso de mezclado comienza con los componentes, agrupados

en algunos contenedores, pero separado como componentes puros. Así, si se

toman pequeñas muestras en todo el recipiente, casi todas las muestras se

compondrán de un componente puro.

Luego se procede a mezclar, logran que las muestras cada vez contengan más

proporciones de los componentes que la constituyen, y que esto sea así en todo el

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recipiente. La mezcla completa podría definirse como el estado en el que se

comprueba que todas las muestras tienen la presencia de los componentes en las

mismas proporciones que en toda la mezcla.

En realidad, esta situación sólo se alcanza con la agrupación ordenada de los

componentes y sería un resultado más improbable de cualquier proceso de

mezcla práctica.

Otro enfoque es la definición de la mezcla perfecta como aquella en la que los

componentes en las muestras se presentan en proporciones cuya probabilidad de

ocurrencia estadística es la misma que la de una dispersión estadística aleatoria

de los componentes originales. Tal dispersión representa lo mejor que los

procesos de mezcla al azar puede hacer.

En el mezclado se pueden distinguir tres tipos de mecanismos de mezcla: Mezclado por difusión: las partículas ruedan por una superficie inclinada. (horizontalmente se produce segregación)

Mezclado por esfuerzos de corte: ocurre cuando se generan zonas de deslizamiento (quiebre) en una mezcla de polvos.

Mezclado por convección: se producen trayectos especiales (modelos) de circulación en una masa de polvos. Bibliografía

Bolaños Murillo, P. (2002). Agroindustria, II Parte, Aspectos Tecnológicos. San

José, Costa Rica: EUNED.

Costa López, L., Cervera March, S., Curnill García, F., Esplugas Vidal, S., Mans

Teixidó, C., & Mata Alvarez, F. (1991). Curso de Ingeniería Química. Barcelona,

España: Editorial Reverté, reimpresión 2004.

Gavhane, K. (2009). Operations Unit I, Fluids Flow and Mechanical Operations .

Pune, Maharashtra, India: Niraly Prakashan.

Ibarz, A., & Barbosa-Cánovas, G. (2005). Operaciones Unitarias en la Ingeniería

de Alimentos. Barcelona, España: Ediciones Mundi Prensa.