LABORATORIO N° 2. TAMIZADO 1. OBJETIVOS GENERAL Evaluar el efecto que tienen las variables típicas (tiempo de tamizado, capacidad de tamizado, Cu, eficiencia de tamizado) sobre los parámetros más importantes en los procesos de tamizado con equipos por impacto. ESPECÍFICOS Realizar el análisis granulométrico de las muestra a procesar. Determinar las propiedades granulométricas de varias muestras de un material sólido por medio de la técnica de tamizado, usando mallas estándar. Determinar la energía requerida para cambiar y obtener nuevas áreas del solido a trabajar por tamizado.
2. TEORÍA RELACIONADA TAMIZADO Tamizar es separar una materia granulosa según el tamaño del grano para lo cual una superficie perforada (tamiz o trama) permite el paso de los componentes finos y se lo impide a los más bastos. Al tamizar se obtiene una separación del material en tamizado y residuo. Pueden obtenerse diferentes fracciones delimitadas por el tamaño de partícula. Pueden definirse también el tamizado como la clasificación en diferentes fracciones de tamaño de partícula con ayuda de tamices. Los tamices tienen una malla cuadrada y en la mayor parte de los casos son metálicos. En el tamizado suele descuidarse el considerar la importancia de la forma de las partículas. La sustancia o mezcla posee después de haber pasado completamente un tamiz de la malla
precisa, un grado de trituración determinado. Este grado se designara según la luz de la malla del tamiz. La separación de materiales sólidos por su tamaño es importante para la producción de diferentes productos (ej. arenas sílicas). Además de lo anterior, se utiliza para el análisis granulométrico de los productos de los molinos para observar la eficiencia de éstos y para control de molienda de diversos productos o materias primas (cemento, caliza, arcilla, etc.). El tamiz consiste de una superficie con perforaciones uniformes (luces de malla) por donde pasará parte del material, el no retenido o cernido (C) y el resto será retenido por él, llamado rechazo (R). El tamaño medio del rechazo (L) es la media aritmética de las luces de malla entre dicho tamiz y el superior. La distribución de tamaños se obtiene colocando el producto de descarga de un molino en una serie de tamice, ordenados en forma descendente por orden decreciente de luz de malla. De un tamiz o malla se obtienen dos fracciones, los gruesos y los finos: la nomenclatura es la siguiente, para la malla 100, + 100 indica los gruesos y -100 indica los finos. Si de un producto se requieren N fracciones (clasificaciones), se requerirán N-1 tamices. Para llevar a cabo el tamizado es requisito que exista vibración para permitir que el material más fino traspase el tamiz. A estos tamices se le conoce como tamices vibratorios cuyo rango de vibraciones es aproximadamente 1800 a 3600 vibraciones por minuto. TIPOS DE TAMICES Los tamices rotativos están provistos de una malla filtrante de eje horizontal, donde son retenidos los sólidos y extraídos mediante rasqueta hasta el sistema de transporte. Tienen una elevada pérdida de carga. Los tamices estáticos poseen una malla filtrante de sección triangular con una inclinación que va disminuyendo desde los 65º hasta los 45º para conseguir la separación y extracción de los sólidos. Suelen ir precedidos de un bombeo dada su elevada pérdida de carga y necesitan operaciones periódicas de limpieza manual.
Los Tamices de escalera y deslizantes están constituidos por mallas filtrantes fijas que mediante determinados mecanismos elevan los residuos retenidos hasta la zona de descarga. Poseen una pérdida de carga menor de 0,5 m. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO. De los distintos métodos existentes para realizar el análisis granulométrico, quizá el más utilizado sea la tamización con tamices acoplados en cascada. Para realizarlo se coloca un juego de tamices en cascada, es decir, ordenados de arriba abajo por orden decreciente de luz o abertura de malla. El producto a analizar se añade sobre el primer tamiz, es decir aquel de abertura de malla mayor y se somete el conjunto a un movimiento vibratorio. El producto a analizar o producto bruto, B, queda distribuido en diferentes fracciones según el tamaño de partícula denominándose:
• RECHAZO: Producto que queda sobre el tamiz. • CERNIDO: Producto que atraviesa el tamiz
Figura N°2.1: tamización en cascada
En una tamización en cascada el cernido de un tamiz constituye la alimentación del siguiente, por tanto se obtienen tantos rechazos como tamices constituyan la cascada y un solo cernido, constituido por el producto que atraviesa las mallas del último tamiz o tamiz de abertura de malla más pequeña. Teóricamente se debe cumplir que B = C + R, siendo B la cantidad a analizar o producto bruto, C el cernido y R la suma de todos los rechazos. Conociendo los datos de cada una de las fracciones retenidas en los diferentes tamices se pueden establecer una serie de índices de gran interés en análisis granulométrico por tamización. Conociendo los datos de cada una de las fracciones retenidas en los diferentes tamices se pueden establecer una serie de índices de gran interés en análisis granulométrico por tamización: ÍNDICE DE CERNIDO (IC): o porcentaje de B que representa la fracción de finos C: C I C = ∗100 B
ÍNDICE DE RECHAZO (IR): o índice de gruesos: R I R= ∗100 B
Siendo I C + I R =100
DIÁMETRO MEDIO de las partículas retenidas entre dos tamices consecutivos, se expresa como la media aritmética de la abertura de malla (
L1
) de las mismas:
D 1=
L 1 + L2 2
D 3=
L2+ L3 2
DIAGRAMAS GRANULOMÉTRICOS Es frecuente expresar los resultados del análisis granulométrico representándolos gráficamente. Los más utilizados son el Distributivo o Secuencial y el Acumulado. DIAGRAMA DISTRIBUTIVO O SECUENCIAL. Se obtienen representando en un eje de coordenadas los porcentajes que quedan retenidos en cada tamiz, frente a los diámetros medios.
Figura N°2.2: Diagrama distributivo o secuencial de tamizado
DIAGRAMA ACUMULADO Pueden referirse a rechazos o a cernidos y se obtienen representando los porcentajes acumulados frente al diámetro medio de las partículas.
Figura N°2.3: Diagrama acumulado de tamizado.
BALANCES DE MATERIA EN UN TAMIZ. A un tamiz pueden aplicarse sencillos balances de materia que resultan útiles para calcular relaciones de alimentación, cernido y rechazo, a partir de los análisis por tamizado de las tres corrientes y el conocimiento del deseado diámetro de corte. Sean: B = velocidad de flujo másico de la alimentación
R= velocidad de flujo másico de la corriente de rechazos C= velocidad de flujo másico de la corriente de cernidos XB = fracción másica del material A en la alimentación XR = fracción másica del material A en la corriente de rechazos XC = fracción másica del material A en la corriente de cernidos
Las fracciones másicas del material B en las corrientes de alimentación, superior (Cernidos) e inferior (rechazos) son 1
- XB, 1
- XR y 1 - XC. Puesto que toda la
alimentación de material que entra en el tamiz tiene que salir como flujo de cernidos o como flujo de rechazos. B=R+C
El material A contenido en la alimentación debe salir en estas corrientes y, por tanto: B X =R XC +C XC
Eliminando R de las ecuaciones: R X B− X C = B X R −X C
y eliminando R resulta: C X R− X B = B X R −X C
EFICACIA DE UN TAMIZ.
La eficacia de un tamiz (con frecuencia llamado rendimiento del tamiz) es una medida del éxito de un tamiz en conseguir una nítida separación entre los materiales A y B. Si el tamiz funcionase perfectamente, todo el material A estaría en la corriente superior (rechazo) y todo el material B estaría en la corriente inferior (cernido). Una medida frecuente de la eficacia de un tamiz es la relación entre el material A de tamaño superior que realmente se encuentra en la corriente superior y la cantidad de A que entra con la alimentación. Estas cantidades son RxR, y BxB, respectivamente, por tanto:
EA=
RX R B XB
Dónde: EA es la eficacia del tamiz basada en el tamaño mayor. Análogamente, una eficacia EB basada en el material de tamaño inferior viene dada por:
EB =
C(1−X C ). B(1−X B )
Se puede definir una eficacia global combinada como el producto de las dos relaciones individuales, de forma que si su producto se representa por E,
E=E A∗EB =
RC X R ( 1− X C ) 2
B ( 1−X B )
Sustituyendo tenemos: E=
( X B− X C )∗(X R −X B ) ( X R −X C )2 ( 1− X B )
CAPACIDAD Y EFICACIA DE TAMICES. Además de la eficacia, la capacidad es una característica importante de los tamices industriales. La capacidad de un tamiz se mide por la masa de material que puede recibir como alimentación por unidad de tiempo y unidad de superficie. Capacidad y eficacia son factores opuestos. Para obtener la máxima eficacia la capacidad debe ser pequeña, y grandes capacidades se obtienen solamente a expensas de una reducción de la eficacia. En la práctica es deseable un razonable equilibrio entre capacidad y eficacia. Aunque no se dispone de relaciones exactas para estimar estas condiciones de operación de los tamices, existen ciertos aspectos fundamentales que se pueden utilizar como guía para comprender los factores básicos de la operación de tamizado. La capacidad de un tamiz se controla simplemente variando la velocidad de alimentación de la unidad. La eficacia que resulta para una capacidad dada depende de la naturaleza de la operación de tamizado. La oportunidad de paso de una partícula de un tamaño inferior determinado es una función del número de veces que la partícula incide contra la superficie del tamiz y de la probabilidad de paso durante un solo contacto. Si el tamiz está sobrecargado, el número de contactos es pequeño y la oportunidad de paso como consecuencia del contacto está limitada por la presencia de otras partículas. La mejora de la eficacia que se obtiene a expensas de la reducción de la capacidad es el resultado de la consecución de más contactos por partícula y mejores oportunidades de paso en cada contacto.
Idealmente, una partícula tendrá las mayores oportunidades de pasar a través del tamiz cuando incida perpendicularmente a la superficie del mismo, si está orientada de tal forma que su diámetro mínimo sea paralelo a la superficie del tamiz, si no está impedida por otras partículas y si no se pega o adhiere a la superficie del tamiz. Estas condiciones no se cumplen en el tamizado real, pero esta situación ideal puede utilizarse como base para estimar el efecto del tamaño de malla y las dimensiones del alambre sobre el funcionamiento de tamices.
3. METODOLOGÍA MATERIALES Y EQUIPOS. Torre de tamiz de la serie Tayler. Balanza Papel aluminio Arroz Maíz.
PROCEDIMIENTO
Pesar
200 g de la muestra (maíz), trabajar con una humedad 2%
Los tamices en orden descendente o de forma ascendente por el número del tamiz, colocando en ambos casos el colecto
Organizar
Colocar La muestra en tamiz superior y tapar; todo el sistema debe estar sujeto al equipo vibrator
Dejar
Pesar
En operación el sistema por espacio de 15 minutos TIEMPO DE OPERACION
Una vez termina el tiempo de programado de tamizado (vibración), Pesa cada una de las mallas.
Figura N°2.4: torre de tamices de la serie de Tyler.
Figura: Equipo de tamizador en la universidad nacional de Trujillo
4. RESULTADOS Tabla 2. Determinación del de peso retenido, porcentaje de peso retenido, acumulado y el por último el porcentaje pasa. ºN TAMIZ
R(kg)
Ra (kg)
Ra (%)
T
LUZ DE MALLA (um) 0
0.00051
0.00051
140
106
0.00063
0.00114
100
150
0.00179
0.00293
80
180
0.0555
0.05843
50
300
0.07642
0.13485
40
425
0.06097
0.19582
0.00260 443 0.00582 167 0.01496 272 0.29838 627 0.68864 263 1
Figura 1. Gráfico de porcentaje de rechazo acumulado
RECHAZO ACUMULADO EN (%) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0
1
2
3
Figura 2. Gráfico de rechazo acumulado
4
5
6
7
RECHAZO ACUMULADO 0.25 0.2 0.15
RECHAZO ACUMULADO
0.1 0.05 0
0
1
2
3
4
5
6
LUZ DE MALLA
Figura 2. Grafica de Distribución de tamaño
DISTRIBUCION DE TAMAÑOS 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 Rechazo
0.04 0.03 0.02 0.01 0
0
106
150
180
Luz de malla
300
425
7
RECOMENDACIONES
Al usar el equipo de tamizado se debe tener precaución en el manejo del material y de no sobrepasar los límites de operación del tamizador pues puede afectar junto
con el motor, recomendándose operar a un máximo del 80%. Registrar los números de mallas de los tamices utilizados. Registrar los tiempos de tamizado para cada muestra. Al tomar la muestra para alimentarla al tamizador, asegúrese que sea representativa. Rectificar el orden de las mallas.
Es recomendable analizar el producto que se someterá a una operación de molienda y tamizado, pues el producto pueda necesitar un tratamiento anterior a determinados procesos. El producto a tamizar no debe tener elevada humedad puesto que se formarán aglomeraciones y el tamizado no será eficiente. Los tamices deben encontrarse en perfecto estado, por lo que se revisará que no presenten ninguna interferencia antes de ser utilizado para evitar tener análisis erróneos. Se debe escoger adecuadamente el tipo de tamiz a utilizar dependiendo esto del producto que se desea obtener. Evaluar previamente el tiempo adecuado de tamizado, de acuerdo al producto a tamizar, para así asegurar una mayor eficiencia en el proceso. VI. CUESTIONARIO
1. Describa como se mide el rendimiento de un molino Para determinar el rendimiento de un molino se debe conocer la cantidad de masa que entra a ser molida y la cantidad de producto molido que se obtiene, para esto se siguen los siguientes pasos:
n=
masa de producto molido ( g) x 100 masa de producto en la alimentación(g)
Además otra medida de la eficiencia de la operación se basa en la energía requerida para crear una nueva superficie, ya que el área de superficie de una unidad de masa de partículas aumenta en forma considerable a medida que se reduce el tamaño de la partícula. Los cálculos aproximados para la cantidad teórica de energía necesaria para fracturar y crear nuevas áreas superficiales producen eficiencias reales del .0.1% al 2% (Geankoplis, 2006).
2. Realice un cuadro donde especifique: tipos de molino y su aplicación en la Industria Alimentaria. Tipos de molino
Aplicación en la Industria Alimentaria Los molinos de martillo se pueden considerar de uso general,
Molino de
ya que son capaces de triturar sólidos cristalinos duros,
martillos
productos fibrosos, vegetales y productos untuosos, se utiliza en la industria alimentaria para moler especias, leche deshidratada,
azucares,
verduras
deshidratadas,
huesos
extraídos, especias (pimienta), etc. Los molinos que utilizan las fuerzas de cizalla para la Molinos de Disco
reducción de tamaño juegan un papel primordial en la molienda fina. Como la molienda fina se usa en la industria alimentaría
fundamentalmente para producir partículas de tamaño muy pequeño, esta clase de molinos es muy común. En este modelo, los materiales de partida o alimentación, pasan Molino de disco
a través del espacio que queda un disco estriado, que gira a
único
gran velocidad, y la armadura estacionaria del molino. La
Molino de doble
trituración de la carga se debe a la intensa acción cizallante. Este tipo de molinos de discos cizallante se utiliza mucho en la
disco
molienda del arroz y del maíz. Opera bajo fuerza de cizalla e impacto. Constituido de disco
Molino de bolas
giratorio, horizontal que se mueve a poca velocidad en cuyo interior se halla cierto número de bolas de acero o piedra dura. Las bolas caen al girar e impactan el producto, y al girar cizallan el producto a moler. Se utiliza para productos muy duros y obtener polvos de gran finura. Molienda de colorantes y cacao. Este tipo de molino se utiliza en la molienda de maíz. Otras variantes se utilizan mucho en la elaboración de chocolate, por
Molino de piedras
ejemplo los granos del cacao se trituran en molinos de tres piedras horizontales, aunque los procesos modernos utilizan discos dentados, de acero endurecido en lugar de piedras. Operan las fuerzas de impacto y cizalla. En la industria
Molino de barras
alimentaria se recomienda utilizar molinos de barras con sustancias untuosas, que se adhieren a las bolas, a las que restan eficacia. Utilizan la energía de un fluido (vapor comprimido o agua) para provocar la reducción de tamaño. La alimentación es por
Molino ultrafinos
un tubo Ventura situada en la parte inferior del equipo. Los sólidos son arrastrados por el fluido y obligados a recorrer la carcasa tubular. La ruptura es consecuencia del rozamiento ellas y las paredes del equipo. Admiten como alimentación tamaños no superiores a 6 mm y dan lugar a productos con tamaños entre 1 y 50m.
Consta de dos rodillos con sus ejes dispuestos horizontalmente y paralelos que giran en sentido opuesto. Genera esfuerzo de Molino de rodillos
compresión y cizalla. Da buena uniformidad granulométrica. Molienda de trigo y centeno, para convertirlos en harinas. Utilizado como molinos estriados para: caña de azúcar, trigo; y molinos lisos para: refino del chocolate. Fuente: BRENNAN et al., 1998
3. ¿Qué propiedades físicas de la partícula se relacionan con la operación de molienda? ¿Qué papel juegan estas propiedades en la selección del tipo de molino?
Dureza y abrasividad Según Brennan et al. (1998) la dureza de los productos de partida puede ser importante para la selección del equipo. La dureza está relacionada con el modulo de elasticidad; los materiales duros pueden ser quebradizos y fracturarse rápidamente, en cuanto se supere el limite elástico, o dúctiles y deformarse mucho, antes de fragmentarse. Estos comportamientos influyen en la mayor o menor dificultad de trituración y en la energía requerida para ello. En general, los productos más duros son más difíciles de triturar. Se necesita más energía y tiempos más largos de residencia, lo que puede requerir: (a) reducir la producción de un molino dado, o (b) utilizar un molino de mayor capacidad, para una determinada producción. Como los materiales duros son abajo casi siempre abrasivos, pueden desgastar mucho las superficies de trabajo. Estas superficies deben ser de materiales duros y resistentes al desgaste, como el acero al manganeso, y de fácil recambio. Para reducir el desgaste, los molinos para la reducción de tamaño de productos duros se mueven con relativa lentitud, debiendo ser de construcción robusta, para que puedan soportar los esfuerzos mecánicos que se desarrollan. Por esta razón, se suele prestar poca atención al mantenimiento de estas maquinas. Estructura mecánica
La estructura mecánica de los productos a triturar puede indicar la clase de fuerza más probablemente responsable de la trituración. Si los productos son frágiles, o poseen estructura cristalina, la fractura puede producirse a lo largo de los planos de unión, y serán las partículas mayores las que se romperán más fácilmente. En estos casos, se recurrirá a fuerzas de compresión. Si hay pocos planos de unión y se han de crear nuevos puntos de arranque de grietas, es posible que sean más eficaces las fuerzas de impacto y cizalla. Muchos productos alimenticios tienen una estructura fibrosa y no pueden desintegrarse por fuerzas de compresión o impacto, por lo que es necesario desgarrarlos o cortarlos (Brennam et al., 1998). Humedad Brennan et al. (1998) explica que la presencia de agua puede facilitar o complicar lm proceso de trituración. En la mayoría de los casos, un contenido en agua superior al 2% o 3% puede embotar el molino y reducir su capacidad de producción y su eficacia. La humedad puede facilitar también la aglomeración de los productos, lo que dificulta la obtención de un polvo fino y de flujo libre. La formación de polvo en la molienda en seco de muchos sólidos también puede crear problemas, ya que: a) La inhalación prolongada de polvos, por otra parte inocuos, puede causar enfermedades respiratorias peligrosas; los operarios han de protegerse contra este riesgo. b) Muchos productos alimenticios sólidos, cuando están finamente divididos, son muy inflamables; en la industria alimentaria, no son desconocidas las explosiones del polvo. Sensibilidad a la temperatura La zona de acción de un molino, se produce fricción entre partículas. Las partículas pueden sufrir esfuerzos inferiores a sus límites elásticos, que no las fracturan, liberando
en forma de calor la energía de deformación absorbida, al cesar el esfuerzo. El calor proveniente de estas dos fuentes puede elevar considerablemente la temperatura de los productos procesados y degradarlos. En los productos sensibles a las temperaturas elevadas, es importante conocer, no solo su la estabilidad química, sino también sus temperaturas de ablandamiento o fusión. Si el calor generado lleva a la producción de una carga untuosa, el molino puede embotarse, disminuyendo la eficacia del proceso. (Brennam et al., 1998). 4. ¿A qué se debe la aglomeración de las partículas durante el tamizado? Describa algunas técnicas de tamizado que se utilizan para evitar esta aglomeración. Según Vian y Ocon (1979), La aglomeración se debe a la humedad del producto, algunas técnicas utilizadas para la clasificación de las partículas cuando éstas se encuentran húmedas son la sedimentación y centrifugación. A continuación se presentan los diferentes factores que ocasionan la aglomeración y las técnicas que se deben emplear para evitarla.
Factores
Descripción Técnicas a emplear A una velocidad de alimentación grande el Regular la velocidad tiempo de residencia sobre la superficie de de alimentación del
Alimentación
tamizado es ineficiente, el tamiz se producto a tamizar. sobrecarga y parte de los materiales que deberían ser finos acompañan a los gruesos. Una pendiente pronunciada dará como Utilizar un ángulo de
Angulo de
resultado
un
tiempo
de
residencia inclinación adecuado
inclinación del
insuficiente mientras que una pendiente de
tamiz
ángulo menor puede reducir el flujo gravitatorio a través del tamiz. Aunque la partícula sea lo suficientemente Emplear
una
pequeña sólo pasará a través del tamiz si se separación Tamaño de la
alinean adecuadamente. Las partículas preliminar
partícula
grandes tienden a impedir el paso de las partículas
de
las
pequeñas cuando están en una proporción grande. Si el producto de partida está húmedo Utilizar productos de Humedad
puedan
aglomerarse
las
partículas humedad adecuada.
pequeñas y las grandes, las pequeñas serán arrastradas con las grandes. Realizar
un
Las partículas grandes se colocaron por las mantenimiento Deterioro del tamiz
zonas diseñadas disminuyendo la eficacia adecuado de la separación.
de
las
tamices y tener un especial cuidado con los tamices debido a
su fragilidad. Cuando el tamaño de partículas es similar Limpieza inmediata Embotamiento
al del tamaño de la malla, los tamices se y mantenimiento de
de los tamices
suelen a obturar generando que las los tamices. partículas cuyo tamaño les permitiría atravesar el tamiz se ven arrastradas con los gruesos. Al tamizar productor secar en polvo, se Conectar el tamiz a
Carga electrostática
pueden cargar las partículas, las pequeñas tierra. se agregaran y se comportarán, no como finos, sino como gruesos produciéndose la aglomeración.
Fuente: BRENNAN et al., 1998 5. ¿En que productos relacionados con la industria alimentaria es importante la granulometría del mismo? ¿A qué se debe la importancia? Adjunte una norma (metodología) de análisis granulométrico de un producto.
En los diferentes procesos de producción de alimentos, se presenta la necesidad de separar los componentes de una mezcla en fracciones y de describir los sólidos divididos y predecir sus características. Dentro del campo de la separación existen en la ingeniería dos grandes grupos. Uno de estos grupos es el de las separaciones mecánicas que comprenden Filtración, Sedimentación y Tamizado (Análisis Granulométrico). Estas separaciones son aplicables a mezclas heterogéneas y se basan en las diferencias físicas de las partículas, entre las que están el tamaño, la forma y la densidad. Son numerosas las operaciones en la industria alimenticia que ameritan un desmenuzamiento de los sólidos, una trituración, una molienda, etc, en otras palabras, una Reducción de Tamaño. Así es como, por ejemplo, se muele el trigo y la cebada para obtener harinas, las semillas de soya se muelen y trituran para obtener aceite y harina y el azúcar es molida durante su procesamiento industrial.
Según Brown (1965), el análisis de granulometría es importante tanto como para determinar la eficacia de la molienda o triturado, como para determinar el valor de un producto para una aplicación especifica. El análisis granulométrico, indica los módulos de finura e índices de uniformidad de diferentes productos siendo el módulo de finura un indicador de la uniformidad de la molienda, determinando también el tamaño de partícula; y el índice de uniformidad permite encontrar la distribución o proporción de las partículas finas, medianas y gruesas (Henderson, 1966 citado por Macedo, 1990).
5. BIBLIOGRAFIA
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11. J.F. Steffe (1992) Rheological methods in food process engineering. Ed. Freeman Press.
ANEXOS
