Por John Sneeringer*
Mecanismos de la fuerza de cizallamiento
La reducción del tamaño de partícula de los aglomerados ocurre en los molinos de medios finos debido a la acción de los medios en movimiento en relación con los otros. Hay sólo dos posibles mecanismos de dispersión o atrición en los molinos de medios: el impacto y la fuerza de cizallamiento.
Existen dos posibles mecanismos de impacto, uno frontal o uno de adelanto. Éstos requieren que una masa de partículas se coloque entre dos superficies de medios en el momento del impacto. Estadísticamente es bastante improbable que ello ocurra. Como se discutió anteriormente, el elevado volumen de medios y los patrones de flujo líquido llevan a concluir que los medios tienden a orientarse en capas y fluir en la misma dirección. La cantidad de flujo a contracorriente o entremezclado entre las zonas de fuerza de cizallamiento es relativamente pequeña. Esto lleva a concluir que los impactos frontales representan una parte muy pequeña del trabajo realizado. Dado que los medios generalmente se mueven en la misma dirección, hay una mayor probabilidad de un impacto de adelanto entre los medios en movimiento a diferentes velocidades.
El mecanismo de fuerza cortante o de cizallamiento se presenta cuando dos medios se sobrepasan mientras ambos van en la misma dirección, estableciendo una zona de cizallamiento entre los medios. En esta zona, el grado de cizallamiento es determinado por la velocidad diferencial de los medios, la distancia entre ellos y la viscosidad del líquido. Extensas pruebas han confirmado y reconfirmado que la fuerza de cizallamiento es el mecanismo de dispersión dominante en cualquier tipo de molino de medios finos.
Dispersión de la fuerza de cizallamiento
A medida que las perlas de los medios en rotación se sobrepasan, se establece un grado de fuerza de cizallamiento en el espacio que queda entre ellas debido a las diferencias de sus velocidades lineales. El grado de cizallamiento aumenta por la rotación direccional de los medios en oposición. Cuando una masa de particulado entra en el espacio entre los medios, se impone una tensión de cizallamiento en la partícula.
La magnitud de esta tensión de cizallamiento aumenta con el tamaño de la masa. Si la tensión aplicada es mayor que las fuerzas asociativas que mantienen unida la masa, entonces se dividirá ésta en partes más pequeñas. Este proceso de división sigue hasta que las masas de particulados se hacen tan pequeñas que la tensión de cizallamiento reducida es menor que las fuerzas que mantienen unida la masa de partículas. Esto es lo que se llama el punto de retornos decrecientes; no se realizará trabajo adicional hasta que se haya cambiado algún aspecto físico del proceso.
En este punto, la pequeña masa pasa por el espacio de los medios sin sufrir alteraciones y no se presentan más dispersiones o reducciones del tamaño de partícula a menos que aumente el grado de tensión de cizallamiento. Esto puede lograrse haciendo cambios en la configuración del molino, como incrementos en la velocidad de rotación del disco, o una reducción del tamaño de los medios (una reducción de los espacios de los medios fluidizados). El grado de tensión de cizallamiento puede incrementarse también por un aumento de la viscosidad o la concentración de sólidos en la formulación líquido-sólida que se bombea al molino horizontal de medios.
Variables del proceso: formulación de premezcla
Las variables del proceso asociadas con la composición y la preparación de la “premezcla” de la formulación líquido-sólida tienen un gran efecto en la operación y la productividad del molino horizontal de medios. Las variables de “premezcla” se relacionan con tres áreas: formulación, procedimientos de preparación y configuración del equipo.
Las variables de la formulación de premezcla incluyen, pero no se limitan, a:
· Viscosidad y reología de la formulación líquido-sólida predispersada (la reología es el estudio de la deformación y el flujo de los materiales por efecto de fuerzas externas)
· Tamaño de partícula de los sólidos en la formulación predispersada
· Forma y dureza de los sólidos
· Gravedad específica de la formulación líquido-sólida (peso por galón)
Las variables del procedimiento de la preparación de premezcla pueden incluir:
· Proporciones de ingredientes
· Velocidad de adición de los ingredientes
· Secuencia de adición
· Temperatura
· Ciclo de tiempo o etapa de premezcla
Las variables de configuración de la premezcla pueden incluir:
· Tipo de mecanismo de dispersión.
La calidad total de la formulación líquido-sólida predispersada se verá afectada por todas estas variables posibles. La calidad tiene que ver principalmente con el grado de humectación, reducción del tamaño de partícula inicial y estabilidad de la formulación líquido-sólida.
Una falla común entre los usuarios de los molinos horizontales de medios es que no intentan optimizar el proceso de premezclado para producir la mayor calidad en la premezcla práctica. En consecuencia, la calidad inicial puede variar de manera importante entre lotes o entre los lotes del laboratorio y de la planta.
En un modelo de prueba, una premezcla dispersada al 50% de la norma requirió un tiempo de residencia de 54 minutos en el molino horizontal para lograr una calidad estándar de 100%. La misma formulación, dispersada al 70% de la norma en la premezcla, requirió 38 minutos de residencia en el molino horizontal para alcanzar una calidad estándar de 100%.
Esto indica que optimizar el proceso de la premezcla (con dispositivos menos sofisticados) puede incrementar la productividad en forma sustancial. Desde el punto de vista de las operaciones en la planta, es deseable contar con una calidad inicial reproducible, ya que cuando se usa la misma configuración de molienda y las mismas condiciones de operación, el tiempo de residencia requerido para igualar la calidad estándar puede predecirse por mecanismos lógicos.
A pesar de su vital importancia para la operación exitosa y un bajo mantenimiento, la preparación y la optimización de la premezcla es una variable sobre la que el fabricante del molino tiene poco o ningún control.
Variables del proceso en el molino horizontal
La configuración de proceso del molino horizontal de medios incluye las siguientes variables, independientes de la formulación líquido-sólida y del tamaño de partícula final que se requiera.
Variables independientes del molino
Medios de molienda: tamaño (0,5 mm a 2,5 mm comúnmente)
gravedad específica
porcentaje de carga en la cámara de
molienda (75 a 90% por lo general)
Configuración del eje de molienda:
diseño del disco
área de superficie en rotación
diseño del espaciador
Velocidad del eje de molienda: 2000 a 3000 pies/min (común)
(velocidad de la punta del disco)
Rendimiento del producto: velocidad variable, desplazamiento positivo, sistema de bombeo (por engranajes, de cavidad progresiva, con diafragma de aire, peristáltico)
Cualquier cambio en alguna de las variables “independientes” del molino generará un cambio o limitará alguna de las variables “dependientes” del proceso que se enumeran a continuación:
Variables dependientes
• Temperatura del producto
• Presión
• Calidad
• Rendimiento
• Consumo eléctrico
Directrices de optimización
Para optimizar el molino horizontal de medios para cualquier formulación líquido-sólida específica, debe registrarse un “punto de referencia” confiable de los datos de procesamiento.
Los parámetros de procesamiento normales, que proporcionan la información requerida para la evaluación y la optimización del desempeño del molino incluyen:
· Velocidad de producto (velocidad de bombeo en galones/hora o galones/minuto)
· Calidad del producto (tamaño de partícula después de la molienda)
· Presión del producto en la cámara de molienda
· Temperatura del producto (entrada y salida)
· Consumo eléctrico del motor principal
· Tamaño y densidad de los medios
· Porcentaje de carga de los medios
· Velocidad del disco de molienda
· Configuración del eje de molienda
· Temperatura del agua de enfriamiento (entrada y salida)
Debe tenerse en cuenta esta viscosidad y reología de la formación líquido-sólida DESPUÉS de completarse la dispersión o la molienda. Es bastante común que la viscosidad se eleve de manera significativa en una suspensión líquida después de la molienda, básicamente a causa de la mayor superficie de los sólidos presentes. Este incremento del área superficial crea una absorción del líquido disponible de la formulación.
Ejemplos de causa y efecto
en las variables de molienda
Cualquier cambio en alguna de las variables producirá un cambio en una o varias de las otras variables del proceso. Aquí se presentan algunos ejemplos comunes de causa y efecto para entender cómo funciona el proceso total de molienda horizontal. Estos ejemplos se presentan únicamente como introducción a las directrices de optimización y sólo se hará una breve mención de este tópico.
• El aumento del índice de rendimiento del producto por lo general se manifiesta en:
- Incremento de la presión del producto
- Incremento de la temperatura del producto
- Incremento del consumo eléctrico
- Reducción de la calidad del producto
• La disminución del índice de rendimiento del producto suele producir:
- Incremento de la calidad del producto (gracias a un mayor tiempo de residencia)
- Reducción de la presión del producto (si se mantiene constante la viscosidad)
- Reducción de la temperatura del producto
- Reducción del consumo eléctrico
• El incremento de la velocidad del disco de molienda suele generar:
- Incremento de la calidad del producto
- Incremento de la temperatura del producto
- Incremento del consumo eléctrico
- Incremento o reducción de la presión del producto
• El incremento en el número de discos de molienda (adición del área superficial en rotación):
- Incrementa la calidad del producto
- Incrementa la temperatura del producto
- Incrementa el consumo eléctrico
- Puede incrementar la presión del producto
• El incremento del porcentaje de carga de medios suele generar:
- Incremento de la calidad del producto
- Incremento de la temperatura del producto
- Incremento del consumo eléctrico
- Incremento de la presión del producto
• La reducción del porcentaje de carga de medios suele generar:
- Reducción de la calidad del producto
- Reducción de la temperatura del producto
- Reducción del consumo eléctrico
- Reducción de la presión del producto
• La reducción del tamaño de los medios suele producir:
- Incremento de la calidad del producto
- Incremento de la temperatura del producto
- Incremento de la presión del producto
- Incremento del consumo eléctrico
• El incremento del tamaño de los medios por lo general se manifiesta en:
- Reducción de la calidad del producto
- Reducción de la temperatura del producto
- Reducción del consumo eléctrico
- Reducción de la presión del producto
*Technical Sales for Premier Mill.
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