UNIVERSIDAD NACIONAL

“HERMILIO VALDIZAN”

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE

INGENIERIA INDUSTRIAL

OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS

REDUCCION DE TAMAÑO

Mgº CARLOS OSCAR BALLARTE ZEVALLOS

HUANUCO - PERU

2015

REDUCCIÓN DE TAMAÑO

(Primera parte) INTRODUCCIÓN

En esta unidad se proporcionará al alumno el conocimiento y manejo de los

equipos de molienda, así como en la comprensión y realización de operaciones aplicadas en el manejo de sólidos pulverizados.

Conocerá los equipos utilizados en la operación de reducción de tamaño y el

fundamento de los mismos. Los temas aquí tratados encontrarán aplicación en el desempeño laboral en el procesamiento de granos, semillas, minerales y sólidos que requieran ser sometidos a reducción de tamaño para su posterior procesamiento o para lograr su total procesamiento.

Los objetivos que permiten el desarrollo del alumno en el saber y en el saber hacer,

son los que a continuación se plantean. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

1.- Conocer y manejar los equipos de molienda para materiales con bajo y alto contenido de humedad.

2.- Conocer los conceptos y operaciones utilizados en la obtención y manejo de sólidos. Criterio de Aprendizaje 1.1 Comprender el funcionamiento y fundamento de los equipos de molienda.

La reducción de tamaño en la industria es aplicada por diversas razones tales como: a) Facilitar la extracción de un constituyente deseado, contenido en una estructura compuesta por ejemplo obtener harina a partir de trigo o azúcar a partir de jugo de caña o metales a partir de los minerales. b) Aumentar la superficie de contacto para aumentar velocidad de secado, velocidad la extracción de un sólido por medio de un líquido o aumentar la velocidad de reacción. c) Lograr un mezclado íntimo, por ejemplo en formulación de alimentos, sopas instantáneas, sazonadores, fundentes, etc.

Se distinguen, en general, tres clases de fuerzas utilizadas en la reducción de

tamaño: FUERZA PRINCIPIO APARATO

Compresión Compresión Rodillos Trituradores Impacto Impacto Molino De Martillos Cizalla Frotamiento Molino de Discos Cortado Corte Tijeras - Guillotina

Las fuerzas de compresión, generalmente se utilizan para la molienda grosera de productos duros.

La molienda de impacto, se utilizan para la molienda fina, media y gruesa. Las fuerzas de frotamiento cizalla se utilizan para la trituración de materiales

blandos en tamaños pequeños. El corte se utiliza para un tamaño y forma definida de partícula con poca o ninguna

cantidad de finos. El término trituración, se aplica para el desmenuzamiento de materiales groseros

hasta de 3mm, en cambio, el término molienda se aplica cuando el producto resultante es un polvo.

Para la selección de equipos de reducción de tamaño, deben considerarse los

costos de adquisición operación y mantenimiento. Es necesario además conocer las características de la materia prima, accesorios posibles y productos finales.

Dentro de las principales características de la alimentación a considerar son la

dureza, Abrasividad, untuosidad, temperaturas de ablandamiento o fusión, estructura, peso específico, contenido en agua libre, estabilidad química, homogeneidad y pureza.

Equipos utilizados para la Reducción de Tamaño:

- Trituradoras de Rodillos

En esta máquina dos o más rodillos pesados, de acero, giran uno hacia otro. Las partículas de la carga son atrapadas y arrastradas por los rodillos (acanalados o grabados), sufriendo una fuerza de compresión que las tritura. En algunos equipos los rodillos giran a diferente velocidad.

- Molino de Martillos

Este es un molino común en la industria de los alimentos. En éste, un eje rotatorio

de gran velocidad lleva un collar con varios martillos en su periferia. Al girar el eje las cabezas de los matillos se mueven siguiendo una trayectoria circular dentro de una armadura, que contiene un plato de ruptura endurecido, de casi las mismas dimensiones

que la trayectoria de los martillos. Los productos de alimentación pasan a la zona de acción dónde los martillos los empujan contra el plato de ruptura. La reducción de tamaño es producida principalmente por las fuerzas de impacto, aunque si las condiciones de alimentación son obturantes las fuerzas de frotamiento pueden tomar parte también en la reducción de tamaño.

- Molino de Disco de Frotamiento

Utilizan las fuerzas de frotamiento o cizalla para reducir el tamaño, primordialmente en molienda fina. Diversos tipos de éstos son: a) Molino de Disco Único: Dispositivo en que el material de alimentación pasa a través de la separación estrecha entre un disco giratorio estriado y la armadura estacionaria del molino. b) Molino de Doble Disco: Dispositivo en que la armadura consta de dos discos estriados que giran en dirección opuesta. c) Molino de Piedras: Clase muy antigua de molino de frotamiento de discos, utilizado principalmente para la molienda de harina.

- Molino Gravitatorio Utilizados para molienda fina, dos tipos básicos son: a) Molino de bolas: El aparato está formado por un cilindro giratorio horizontal que se mueve a baja velocidad con cierto número de bolas de acero o piedras duras. Las bolas resbalan entre sí provocando cizallamiento en la materia prima.

b) Molino de barras: En éstos se reemplazan las bolas por barras de acero, el impacto y la fricción son los principales principios de la reducción de tamaño. 1.2 Manejar los equipos de molienda.

La complejidad de los procesos de reducción de tamaño dependerá del tamaño del

material de alimentación y el intervalo de tamaños del producto deseado. Se inicia con una molienda grosera (trituración con trituradora de mandíbulas) seguida de un tamizado. Se continuará con una molienda intermedia (con molino de rodillos) con su respectivo tamizado; y terminar con una molienda fina (con molino de bolas), seguida también de un tamizado, que permita lograr el tamaño de partícula en los rangos especificados.

Manejo de las instalaciones de reducción de Tamaño 1) Molienda en Circuito Abierto

Método sencillo en que la alimentación entra en el molino, pasa por la zona de

acción y se descarga como producto. El tiempo de permanencia en la zona de acción suele ser largo. No hay reciclo. Puede ser necesario un sistema de transporte de la alimentación. 2) Trituración Libre

El material de alimentación se obtiene por un tiempo de residencia corto. El

producto se obtiene por gravedad. 3) Alimentación en Exceso

Se consigue restringiendo la carga de producto final por medio de una rejilla a la

salida del aparato. 4) Molienda en Circuito Cerrado

En este proceso se logra reciclar el producto que no pasa a través del tamiz que determina el tamaño de partícula requerido. 5) Molienda Húmeda

La alimentación se reduce de tamaño con ayuda de una corriente líquida. Resultado de Aprendizaje 1.1.1. Explicar el funcionamiento y fundamento de los equipos de molienda en práctica de taller y laboratorio, el alumno manifestará la comprensión del fundamento en que se basan los diferentes equipos utilizados para la reducción de tamaño. 1.1.2. Obtener un producto molido, mediante el uso del equipo Realizar molienda de granos diversos en molino de cizalla y de piedras en talleres y laboratorios, considerando la eliminación de rebabas metálicas. Obtener el rendimiento del producto, calculando las mermas del proceso. Visita de una empresa harinera en la que se lleva a cabo la molienda de trigo.

Práctica

“Operaciones de Reducción de Tamaño: Molienda de granos” OBJETIVO: Llevar a cabo la molienda de granos en seco y en húmedo para cuantificar mermas en cada proceso y variación en el tamaño de partícula. FUNDAMENTO Las operaciones de reducción de tamaño corresponden al grupo de operaciones de conversión, éstas se hacen necesarias para lograr un uso variado de productos de molienda de cereales. Se pueden, en general, distinguir tres clases de fuerzas estando en cualquier operación de trituración que son:

METODOLOGÍA Materiales y Utensilios: 250 g de Frijoles de soya no hidratados 250 g de Frijoles de Soya hidratados Equipo: Recipientes de acero inoxidable Espátula de acero inoxidable Estufa de secado Molino de mano Tamiz de malla de alambre (tamiz) Procedimiento: MOLIENDA EN HÚMEDO

1.- Seleccionar las semillas sanas y separarlas de las no aptas para procesamiento. 2. Lavar primero con agua corriente, dos veces y posteriormente con agua purificada 3. Someter a hidratación, con agua purificada, durante al menos 12 horas. 4. Llevar a cabo la molienda de los granos, en húmedo, en molino de cizalla y obtener rendimientos (y merma en esta etapa): E = S + M . 5. En este proceso evaluar las características de tamaño de partícula con ayuda del tamiz, tiempo de molienda y fuerza aparente utilizada. 6. El producto obtenido se puede utilizar para someterlo a secado y elaborar granola enriquecida con proteína o extraer leche de soya. 7. Presentar uno de los productos obtenidos etiquetados. SECADO EN SECO 1. Seleccionar las semillas sanas y separarlas de las no aptas para procesamiento (obtener merma en esta etapa). 2. Someter a secado en superficie plana los granos secos, hasta lograr un color dorado. 3. Llevar a cabo la molienda de los granos, en seco, en molino de cizalla y obtener rendimientos (y merma en esta etapa): E = S + M . 4. En este proceso evaluar las características de tamaño de partícula con ayuda de un tamiz, tiempo de molienda y fuerza aparente utilizada. 5. Evaluar la cantidad de partículas metálicas, previa separación magnética de las mismas. 6. La harina de soya integral obtenida se puede utilizar en el enriquecimiento de harinas de trigo o maíz, así también en la elaboración de pinole. 7. Presentar uno de los productos obtenidos etiquetados. CUESTIONARIO 1. Elaborar los diagramas de flujo de estas etapas. 2. Investigar los diferentes tipos de molinos para granos usados en la industria. 3. Realizar el balance de materia de cada uno de los procesos indicando los motivos de las pérdidas de material. 4. ¿Cómo afecta la humedad del material en la molienda? 5. ¿Qué es el tamizado y con qué fin se aplica en procesos de reducción de tamaño-molienda-?

REDUCCIÓN DE TAMAÑO (segunda parte)

El término reducción de tamaño se aplica a todas las formas en las que las

partículas de los sólidos se cortan o rompen en otras más pequeñas. En la industria los sólidos se reducen de tamaño por diferentes medios y con diferentes fines. Los trozos de los minerales extraídos de los yacimientos se trituran para obtener tamaños más

manejables, los productos químicos sintéticos se muelen hasta obtener polvo, las láminas de materiales plásticos se cortan en pequeños cubos. Los productos comerciales deben de cumplir a menudo severas especificaciones en cuanto al tamaño y a veces también en cuanto a la forma de las partículas, la reducción de tamaño de las partículas aumenta también la reactividad de los sólidos, aumenta la velocidad de reacción, permite la separación de los compuestos no deseados por medios mecánicos y reducen el volumen de los materiales fibrosos que son así mas fáciles de manejar.

Los sólidos pueden romperse de ocho o nueve maneras diferentes pero comúnmente solo se emplean cuatro maquinas de reducción de tamaño estos son:

1.- Compresión 2.- Impacto 3.- Frotamiento de cizalla 4.- cortado.

Un cascanueces, un martillo, una lima y unas tijeras son los ejemplos típicos de

estas cuatro operaciones, en general se usa compresión para la reducción tosca de sólidos duros obteniéndose relativamente poca cantidad de finos, el impacto produce productos gruesos, medios y finos, el frotamiento da productos muy finos a partir de materiales blandos y no abrasivos. El cortado da un tamaño de partícula definido y a veces forma definida, con poca o ninguna cantidad de finos.

FUNDAMENTOS DE LA DESINTEGRACION MECANICA Desintegración mecánica es un concepto muy genérico empleado para la reducción

de tamaño las trituradoras y los molinos son aparatos típicos del equipo de desintegración mecánica. Un molino o una trituradora ideal deben de tener una gran capacidad, requerir de una potencia mínima por unidad de producto y dar un producto de tamaño único o con una distribución de tamaño deseada. El método usual de estudio del rendimiento de un equipo de trituración es formar una operación ideal como patrón y comparar las características del equipo real con las de la unidad ideal, teniendo en cuenta las diferencias entre ambos, cuando se aplica este método a los aparatos de trituración, las discrepancias entre los equipos ideal y real son considerables y no es posible tener en cuenta todas ellas ni siquiera desde el punto de vista teórico, sin embargo se obtiene información cuantitativa muy útil a partir de la teoría incompleta de que actualmente se dispone.

Se comprende mejor la capacidad de las maquinas para desintegración mecánica cuando se describen los tipos particulares del equipo empleado. Sin embargo los aspectos fundamentales del tamaño y forma del producto, así como las necesidades de energía son comunes a la mayoría de las maquinas y pueden abordarse desde el punto de vista mas general.

CARACTERISTICAS DE LOS PRUDUCTOS DESINTEGRADOS

MECANICAMENTE El objeto de la trituración y molienda es producir partículas pequeñas a partir de

otras de mayor tamaño La obtención de partículas pequeñas tiene interés, bien a causa de su gran superficie o bien a causa de su forma, tamaño y numero. El rendimiento energético de la operación se mide por la nueva superficie creada durante la reducción de tamaño por estas razones las características geométricas de las partículas tanto aisladas

como en sus mezclas son muy portantes al evaluar el producto obtenido en una trituradora o en un molino.

A diferencia de una trituradora o molino ideales una unidad real no da lugar a un

producto uniforme, independientemente de que la alimentación tenga su tamaño uniforme o no. El producto siempre estará formado por una mezcla de partículas cuyo tamaño fluctúa desde un máximo hasta un mínimo submicroscópico, algunas maquinas especialmente los molinos se diseñan de modo que controlen las dimensiones de las partículas mas grandes del producto pero los tamaños finos quedan fuera del control. En algunos tipos de molinos se puede disminuir la cantidad de finos pero no eliminarlos Si la alimentación es homogénea tanto en la forma de las partículas como en su estructura física y química la forma de las partículas individuales del producto pueden ser bastante uniformes, de no ser así, los granos de los distinto tamaños de un mismo producto puede variar en un intervalo considerable.

El grano más pequeño de un producto triturado puede compararse en tamaño a un

cristal que es la unidad más pequeña de material que puede existir como un cristal independiente. Este tamaño es del orden de 10-3 micrones siendo un micrón 10-3

milímetros, si por ejemplo la partícula de mayor tamaño de un producto pasa justamente por un tamiz que tiene una abertura de malla de 1 mm la relación de los diámetros de la partícula de mayor tamaño y menor tamaño es del orden de 10-1:10-7, o sea de 106

Debido a la gran variedad de tamaños de las partículas individuales es preciso modificar las relaciones correspondientes para los tamaños inferiores cuando se aplican a mezclas. El termino “tamaño medio” por ejemplo no tiene sentido mientras no se defina el método de promediar utilizado

Si las partículas no se redondean por abrasión después de la trituración las

partículas trituradas tienen forma poliédrica con caras casi planas y aristas y vértices agudos, el numero de caras principales puede variar pero generalmente esta comprendido entre cuatro y siete las partículas pueden ser compactas con la longitud y anchura y espesor aproximadamente iguales o pueden tener la forma de laminas o agujas, Un grano compacto que posee varias caras aproximadamente iguales puede considerarse como esférico y generalmente se usa el termino diámetro para especificar el tamaño de la partícula.

DISTRIBUCION DEL TAMAÑO DE PARTICULAS DE LOS PRODUCTOS

TRITURADOS No existe una distribución única que sea aplicable a todos los productos triturados

especialmente en los intervalos de los tamaños de partículas gruesas, sin embargo las partículas finas se ha encontrado empíricamente que la pendiente de la curva de ø (diámetro) frente a Dp (diámetro equivalente) es una función exponencial del diámetro de las partículas

ENERGIA Y POTENCIA NECESARIAS PARA TRITURACION Los costos de energía son el gasto principal de trituración y molienda de modo que

los factores que controlan estos costos son importantes. Durante la reducción de tamaño las partículas de material de alimentación se someten a un esfuerzo de tensión y el

trabajo necesario para deformarlas se acumula temporalmente en el sólido como energía de esfuerzo mecánico de la misma forma que puede acumularse energía mecánica en un muelle, a medida que se aplica una fuerza adicional a las partículas ya deformadas se distorsionan por encima de su resistencia máxima y repentinamente se rompen en fragmentos, se origina así una nueva superficie puesto que una unidad de área del sólido posee una cantidad definida de energía superficial, la creación de una nueva superficie requiere un trabajo que es suministrado por la liberación de energía de tensión cuando se rompen las partículas De acuerdo con el principio de conservación de la energía, todo exceso de energía de tensión sobre la nueva energía superficial creada debe de aparecer como calor.

RENDIMIENTO DE LA TRITURACION La relación entre la energía superficial creada por trituración y la energía absorbida

por el sólido se denomina rendimiento de la trituración y se representa por η Si e es la energía superficial por unidad de área en kilogramos fuerza por metro cuadrado y Ab y Aa son respectivamente las áreas de los productos y alimentación en metros cuadrados por kilogramo, la energía absorbida por el material W en kilogramos fuerza metro por kilogramo es:

W = e(Ab - Aa )/η La energía superficial producida por la fractura es pequeña en comparación con la

energía mecánica total almacenada en el material en el momento de la ruptura y la mayor parte de esta se convierte en calor. Por consiguiente el rendimiento de trituración es baja, estos rendimientos se han determinado experimentalmente estimando e a partir de las teorías del estado sólido, la exactitud de los cálculos es baja ya que los resultados demuestran que los rendimientos de trituración fluctúan entre 1 y 2 %

La energía absorbida por el sólido W es menor que la suministrada a la maquina,

parte de la energía suministrada W en Kg m /Kg se emplea para vencer la fricción en los cojinetes y en otras partes móviles y el resto queda disponible para la trituración. La relación entre la energía absorbida y la suministrada es el rendimiento mecánico

EQUIPOS PARA LA REDUDCCION DE TAMAÑO (PRINCIPALES CLASES)

1.- Trituradoras (gruesos y finos)

a.- trituradoras de mandíbulas b.- trituradoras de giratorias c.- trituradoras de rodillos

2.- Molinos (intermedios y finos) a.- Molinos de martillos, Impactadores b.- Molinos giratorios de compresión

I.- Molinos de rodillos II.- Molinos de barras

c- Molinos de Fricción d- Molinos giratorios

I.- Molinos de barras II.- Molinos de bolas y guijarros III.- Molinos de tubos, Molinos compartimentados

3.-Molinos de ultrafinos a.- Molinos de martillos con clasificación interna b.- Molinos de utilizan la energía de un fluido

4.- Maquinas cortadoras a.- Cortadoras de cuchilla, de cuadrados, de tiras, troqueladoras

Estas máquinas realizan un trabajo de forma completamente diferente. La compresión lenta es la característica de las trituradoras, los molinos emplean

impacto y frotamiento, combinados a veces compresión; los molinos de ultrafinos operan principalmente por frotamiento, la acción cortante es naturalmente la característica de las cortadoras.