Transporte neumático en fase densa: ¿es adecuado para su proceso?

Brandon Dohn, director de aplicaciones industriales globales, Coperion K-Tron | 21 de julio de 2023

Un método muy popular para transportar grandes cantidades de sólidos a granel es el transporte neumático. Esto no debería sorprender, ya que tiene numerosos beneficios sobre varias contrapartes mecánicas, incluidas tuberías cerradas, bajo mantenimiento, piezas móviles mínimas y la capacidad de que los sistemas potenciales atraviesen rutas isométricas complejas (tuberías), especialmente donde las distancias son excesivas. Superar los obstáculos de cumplimiento normativo asociados con ciertos peligros o industrias puede ser menos engorroso con los sistemas de transporte neumático.

En ocasiones, surge el debate tanto para los profesionales del manejo de sólidos como para los usuarios finales: “¿Transporte en fase diluida o transporte en fase densa?” Si bien la respuesta nunca es simple, a menudo se llega a una conclusión antes de considerar varios factores que tendrán un impacto duradero en las operaciones de su planta en los años venideros. Este artículo definirá brevemente la diferencia entre los dos modos, las razones frecuentemente citadas para elegir la fase densa y los posibles errores que a menudo pasan desapercibidos y producen el mismo resultado que los procesadores se propusieron eliminar al principio: rendimiento deficiente y alto costo de propiedad. .

Empecemos por definir los modos tradicionales de transporte neumático. El transporte en fase diluida, también conocido como fase pobre, es un método de transporte de sólidos en el que las partículas están en completa suspensión por el gas de transporte a medida que son sopladas o aspiradas a través de una tubería cerrada (Mills, PCDG, segunda adición). Para producir este modo de transporte debe haber suficiente velocidad del gas, normalmente superior a 20 m/s. Un beneficio único de este modo de transporte es que casi cualquier material a granel puede transportarse de manera confiable utilizando este método. Al comparar esta fase de transporte con su complemento, el mayor inconveniente es la velocidad requerida para generar un transporte estable. En comparación, el transporte en fase diluida puede requerir grandes volúmenes de aire y, en adelante, grandes cantidades de aire pueden tener un impacto proporcionalmente directo en la potencia requerida. Además, las velocidades generalmente tienen un impacto matemáticamente cuadrado en la erosión y abrasión de la línea de transporte (Klinzing 1989).

El transporte en fase densa a menudo se define como el inverso del transporte en fase diluida. Es decir, las partículas transportadas por la tubería no están completamente suspendidas en el gas y el modo de flujo puede reconocerse como un lecho móvil o en pistones individuales, equivalentes en diámetro a la línea de transporte con huecos de gas entre cada bloque. Este modo se logra utilizando una cantidad menor de gas transportador y, en última instancia, una velocidad de línea más baja, lo que resulta en un desgaste reducido de las tuberías y componentes. Generar invariablemente cantidades más pequeñas de gas de transporte también puede conducir a una reducción en el uso de energía y mantener la integridad del producto que se transporta. El transporte en fase densa a menudo se promueve para su uso en mezclas de materiales y mezclas para minimizar un fenómeno conocido como segregación, que es la desmezcla de mezclas a granel.

Tras un vistazo inicial a las dos definiciones, uno podría sucumbir al veredicto de que el transporte en fase densa es claramente el método superior para transportar materiales a granel en una tubería. Si bien esto es cierto para algunos materiales y procesos, hay muchos factores que se pasan por alto al llegar a esta conclusión.

En este artículo se detallan puntos a considerar antes de elegir el mejor método para transportar sus productos y procesos.

Consideremos nuevamente que el parámetro que distingue el transporte en fase diluida del transporte en fase densa, y viceversa, es la velocidad. Si investiga más el tema utilizando motores de búsqueda comunes o hablando con los fabricantes de la tecnología, obtendrá una terminología que diferencia los dos modos utilizando "relación de carga de sólidos" y "alta presión frente a baja presión". Si bien es cierto que tales características pueden usarse para diagnosticar el modo de transmitir estos atributos, son sólo síntomas. Muchos sistemas de transporte de fase diluida funcionan con diferenciales de presión muy por encima de 1 bar(g) [15 psig], que es el punto de referencia frecuentemente buscado para distinguir la fase diluida de la fase densa. La circunstancia contraria también puede darse en el mundo real. Afortunadamente existe un demostrativo que cuenta perfectamente la historia del transporte neumático como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Modos de transporte neumático

Como se muestra en la Figura 2, un diagrama de fases para un sistema de transporte neumático es bastante sencillo de interpretar. El "eje y" es representativo de la caída de presión de un sistema de transporte, y el "eje x" constituye el cambio en la velocidad. Las distintas líneas intermedias del diagrama representan el rendimiento del material a granel en su respectivo régimen de transporte neumático. En pocas palabras, con la capacidad mantenida constante, si la velocidad del material comienza en el lado derecho del diagrama (la región diluida) y pasa a la izquierda, el material caerá de la suspensión y comenzará a transportarse en un modo de fase densa.

Nuevamente, el único parámetro manipulado fue la velocidad, y para lograr la capacidad requerida en el mismo sistema, la presión del gas de transporte debe aumentar. Dependiendo de la capacidad en cuestión, el diferencial de presión podría ser significativamente mayor al comparar esa misma capacidad en la región de transporte de fase diluida. Como resultado, los procesadores tendrán que considerar componentes para el sistema que estén clasificados para manejar las presiones más altas previstas, incluidos compresores de aire, diferentes fuentes, como recipientes a presión o válvulas rotativas de alta presión, válvulas desviadoras y conexiones de tuberías. La mayoría de estos artículos están disponibles para tales procesos, sin embargo, se deben considerar costos de gasto más altos.

Para seguir el comentario sobre los componentes del sistema, vale la pena mencionar que los sistemas de fase diluida y densa utilizarán los mismos componentes básicos generales: una fuente de aire motriz, un dispositivo de alimentación, una tubería cerrada y un recipiente de destino. Sin embargo, sus pautas de instalación típicas varían.

Un ejemplo es considerar el contenedor de destino. A menudo, el contenedor que recibe los sólidos tendrá un dispositivo de filtración (es decir, ventilación del contenedor u otro dispositivo de filtrado) que separa las partículas del aire. A medida que pasa el tiempo, la vida útil de los filtros disminuirá y dispositivos como los monitores de presión diferencial pueden ayudar a los procesadores a evaluar la esperanza de vida de sus medios filtrantes. Dado que los sistemas de fase densa a menudo funcionan con volúmenes de aire mucho más bajos, en comparación, dichos dispositivos pueden no ser confiables para determinar las tendencias del ciclo de mantenimiento de dichos dispositivos.

Las consideraciones especiales son especialmente importantes para la seguridad del operador y del personal. Dado que los sistemas de transporte de fase densa a menudo pueden exceder presiones operativas superiores a 1 bar(g) [15 psig], gran parte del equipo quedará bajo el ámbito de diseño de los códigos y estándares de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME). Un procesador no solo debe considerar la naturaleza elevada de los procedimientos LOTO para dispositivos de alta presión, sino también el tiempo y los gastos adicionales asociados con distintas conexiones de tuberías (alta presión) e inspecciones antes de poner en servicio el sistema.

Independientemente del modo de transporte, generalmente existe un conjunto único de instrucciones para instalar el sistema. Los proveedores de sistemas acreditados y experimentados tendrán su propio conjunto de pautas publicadas que abordan elementos comunes asociados con los sistemas de transporte.

Uno de los aspectos que más se pasa por alto en cualquier sistema de transporte neumático es el posible recorrido isométrico tanto del aire limpio como de las líneas de transporte. Los requisitos comunes en los sistemas de transporte neumático de fase diluida son mantener todas las líneas en el plano horizontal y vertical, incluir zonas de aceleración para el material y evitar codos consecutivos. Es posible que este consejo no se aplique necesariamente a sistemas de fase densa.

Para sistemas de fase densa que transportan ciertos materiales, se puede recomendar que un codo siga inmediatamente el punto de recogida y lo atraviese verticalmente para ayudar en la formación de trozos. Esta regla es contraria a los típicos sistemas de transporte neumático y, a menudo, genera entusiasmo dada la facilidad que crea durante el proceso de diseño. Además, es posible que los codos en sistemas de fase densa no necesiten ser curvas de radio tradicionales para sistemas de transporte más comunes, lo que alivia aún más las posibles restricciones de diseño.

Las fuerzas en las tuberías se generan en sistemas de fase densa y este fenómeno es uno de los que la mayoría de los procesadores no observan durante la fase de diseño. En algunos casos, los proveedores no lo consideran, lo que puede tener consecuencias potencialmente dañinas, como operadores lesionados e incumplimientos materiales en la línea de transporte. Estas fuerzas son comunes en rutas de transporte con líneas de gran diámetro (>100 mm), codos excesivos y secciones horizontales excesivas de tubería. Dado que los trozos de material a menudo pueden tener longitudes equivalentes superiores a 20 veces el diámetro de la tubería y viajar a velocidades entre 6 y 10 m/s, los procesadores deben considerar refuerzos estructurales donde se enrutarán la tubería y los codos. También es posible que se requiera un soporte de tubería de diseño exclusivo para ayudar a distribuir los movimientos radiales y axiales a lo largo de la tubería cuando el material afecta los cambios de dirección. Los procesadores deben trabajar con proveedores que tengan experiencia y métodos establecidos para calcular y diseñar para estas circunstancias.

Idealmente, los materiales que son adecuados para la fase densa tienen un tamaño de partícula granular, tienen un número de índice Carr de

Afortunadamente, existe otra guía que puede ayudar a los procesadores a calificar su material como adecuado: la tabla de clasificación Geldart (consulte la Figura 3). En resumen, este gráfico dibuja una relación entre la densidad aparente de un sólido y su respectiva distribución del tamaño de partículas para determinar el comportamiento de fluidización del sólido en cuestión. La explicación del candidato ideal anterior se encontraría en la región 'D' del gráfico (ver artículo). Los materiales del grupo 'C' a menudo pueden excluirse de la consideración en fase densa debido a su naturaleza cohesiva. Los ejemplos incluyen dióxido de titanio, ciertos compuestos de PVC y ácidos ascórbicos. Los materiales de los grupos 'A' y 'B' a menudo pueden considerarse adecuados dado su potencial de aireación y fluidización. En sistemas de fase densa, si los materiales no forman grumos de forma natural, el estado alterno de flujo es fluidizado en fase densa. Mantener este estado en la línea de transporte puede resultar difícil ya que la mayoría de los sólidos a granel no reaccionan bien al permanecer fluidizados mientras se comprimen simultáneamente desde una fuente de aire motriz. Para remediar esto, la mayoría de los procesadores optarán por emplear "refuerzos" o "estabilizadores" a lo largo del recorrido de la tubería para mantener el material aireado y estable al purgar pequeñas cantidades de aire. Estos dispositivos son útiles; sin embargo, los beneficios de ahorro de energía de los sistemas de fase densa a menudo quedan anulados al emplearlos. Deberían surgir preocupaciones adicionales para los procesadores de alimentos listos para usar y los API que intenten utilizar dichos dispositivos como estándares de calidad del aire comprimido deberán ser reconocidos. Los dispositivos de asistencia de aire también deberán ocupar el interior de la tubería y los procesadores deben tener especial cuidado para garantizar que se minimicen o eliminen las grietas.

Tabla de clasificación de materiales Geldart

Los gráficos y ecuaciones son útiles para determinar la idoneidad de un material para permanecer estable durante el transporte en fase densa, pero no existen sustitutos para las pruebas de materiales a gran escala. Los posibles compradores deben consultar con los proveedores sobre su capacidad de prueba y saber cómo eliminar cualquier duda.

Los procesadores que mezclan materiales a granel a menudo seleccionan el transporte en fase densa cuando se requiere el transporte del material. La lógica es sólida: si la fase diluida es de alta velocidad por definición, el producto probablemente se desmezclará o segregará durante el transporte. Esto es cierto, pero no exclusivo, de los sistemas de fase diluida.

Los sistemas de fase densa que ignoran en gran medida las consideraciones anteriores también pueden someter las mezclas a segregación. Esto es especialmente cierto cuando el sistema de fase densa en cuestión utiliza asistencia de aire a lo largo de la línea de transporte. La inyección de aire a lo largo de la línea de transporte influirá en que la parte superior del material difiera en la velocidad de transporte en comparación con el lecho en contacto con la tubería, que también experimenta fuerzas de arrastre.

Si la distribución del tamaño de las partículas de la mezcla varía mucho, ni la fase diluida ni la fase densa pueden ser adecuadas ya que la inercia de las partículas más grandes variará desproporcionadamente hacia las partículas más pequeñas y ligeras. Los problemas más frecuentemente asociados con la segregación de la mezcla como función del transporte neumático son aquellos que consideran el diseño del sistema en su totalidad, incluida la longitud de los tramos verticales, los tramos horizontales y el número de curvas. La entrada de material a un contenedor (tangencial o radial) también influirá. La mejor práctica para minimizar la segregación de la mezcla en el transporte neumático es evitar numerosos pasos de manipulación después del mezclador, diseñar la ruta del transporte para que sea lo más simple posible y apuntar a una velocidad que transporte todas las partículas en una proporción similar.

El transporte en fase densa ha enumerado beneficios para muchos procesadores y, al igual que cualquier tecnología de valor agregado, esos beneficios tienen un costo. Hasta hace poco, muchos diseñadores de sistemas de fase diluida consideraban los escenarios de diseño del "peor de los casos" de mayor distancia y mayor capacidad al proponer sistemas de transporte. Si a esto le sumamos fuentes de aire motriz de velocidad fija y dispositivos de alimentación de velocidad única, el resultado es un desgaste innecesario, inconsistencia del producto y un mayor uso de energía. Dado que el costo de los variadores de frecuencia variable continúa disminuyendo en comparación con sus complementos de línea, junto con el inicio de algoritmos basados ​​en PLC para atender el volumen de aire en cadencia con el diferencial de presión, existen formas potencialmente nuevas y rentables de lograr los objetivos requeridos por el proceso de manipulación de materiales. A medida que avance en su viaje para diseñar el sistema de manejo de materiales adecuado, espero que este artículo le ayude a considerar el mejor método para transportar sus productos y procesos.

Brandon Dohn es gerente de aplicaciones industriales globales de Coperion K-Tron (Salina, KS). Para más información llame al 785-825-1611 o visite www.coperion.com/en.

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