Tema 1introduccion Operaciones Mecanicas en La Agroindustria

Operaciones Mecánicas

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 principios científicos, 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).

Ingeniería Agroindustrial

Sandra Blandón Navarro

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Operaciones Mecánicas

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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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Operaciones Mecánicas Los pasos son: Pretratamiento Concentración de sólidos Separación de sólidos Postratamiento Pretratamiento

Para incrementar el tamaño de las partículas y reducir la viscosidad

Químico Coagulación Floculación

Concentración de sólidos

Físico Cristalización Reposo Refrigeración/Calenta miento Filtración del aditivo auxiliar Para reducir el volumen de material a procesar Clarificación Sedimentación gravitatoria

Espesamiento Sedimentación gravitatoria Filtración de flujo cruzado Ciclones Filtros de presión periódica Separación de Para separar sólidos de líquidos; para formar tortas sólidos 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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Operaciones Mecánicas 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 Ingeniería Agroindustrial


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Operaciones Mecánicas 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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Operaciones Mecánicas 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 Ingeniería Agroindustrial


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Operaciones Mecánicas 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.



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