silos tolvas transporte neumaticytytgo
DESCRIPTION
Silos tolvas y transporte neumaticoTRANSCRIPT
1
Tolvas, silos y transporte neumático Josimar Arroyo Díaz
Luis Molina Cantillo
Lineth Morales Narváez
Camilo Suarez Sandoval
Manejo de solidos- Ingeniería química- sexto semestre
Tolvas Y Silos
SILOS
Tanto en la industria como en la agricultura intensiva se necesita almacenar
grandes cantidades de materia prima sólida, que por razones biológicas o químicas
no pueden estar expuestas al ambiente. Es por esto que fue necesario construir
espacios o lugares cerrados en los cuales se pueda cargar y descargar el material
fácilmente, dadas estas circunstancias
se retomó la idea ancestral de
almacenamiento de granos, los famosos
silos, los cuales se innovaron y
desarrollaron para satisfacer los
requerimientos de la industria y la
agricultura moderna.
Estos famosos depósitos de estructura
cilíndrica o prismática (puede incluir
otras formas como la esférica para el
caso de silo bunker) de paredes
verticales, pueden ser de acero, de
hormigón armado o de otros materiales
y su descarga puede, así mismo, ser por
gravedad o utilizando procedimientos
mecánicos. Los silos de acero son de
diversos tipos que van desde estructuras
formadas por chapas rigidizadas, a
láminas. Los silos de fondo no plano
suelen tener diferentes apoyos que pueden ser pilares en sus
costados o incluso estar colgados. Los de fondo plano se
encuentran sustentados directamente sobre la cimentación.
Ilustración 1.
Fotografías de silos
2
CLASIFICACIÓN DE LOS SILOS
En lo que se refiere al diseño, se clasifican según el tamaño, la geometría, el patrón
de flujo de descarga, del material almacenado o del tipo estructural.
Diseño estructural
De acuerdo al sistema británico (BMHB) los silos se clasifican:
Sistema BMHB
DISEÑO ESTRUCTURAL
Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 4
Silos pequeños cuya
capacidad es menor
de
100 toneladas. Su
construcción es
sencilla y
robusta, teniendo en
general reservas
sustanciales de
resistencia
Silos de capacidad
intermedia (de 100
ton a 1000 ton).
Pueden diseñarse
mediante
cálculos manuales
sencillos. Hay que
garantizar el flujo
de cargas y
presiones que
den resultados
fiables
Silos grandes (de
capacidades superiores
a
1000 ton). Se requieren
conocimientos
especializados con el fin
de prevenir los
problemas debidos a la
incertidumbre relativos a
la distribución de cargas
y presiones. Están
justificados análisis más
sofisticados, tales como
elementos finitos.
Silos con
descarga
excéntrica, en los
que la
excentricidad de
la salida es
>0,25 dc.
Tabla 1. Clases de silos
Tamaño y geometría
El tamaño y geometría están ligados de los requerimientos funcionales tales como
el volumen de almacenamiento, el sistema y forma de descarga, las propiedades
del material almacenado, el espacio disponible, consideraciones de tipo
monetario, entre otras.
Normalmente el depósito está constituido por una forma vertical (silo) con un fondo
plano o con un fondo de paredes inclinadas (tolva). Suelen tener una sección
transversal circular, cuadrada o poligonal.
3
Los silos cilíndricos son estructuras más eficientes
con respecto a los prismáticos bajo el punto de
vista monetario. En cuanto a capacidad de
almacenamiento de un silo de sección
cuadrada almacena un 27% más que un cilindro
de diámetro igual al lado del anterior. Si el silo
tiene fondo plano su capacidad de
almacenamiento es máximo para misma altura.
El tamaño del silo lo determina la relación
entre la alimentación y la descarga,
dependiendo así mismo de la cantidad de material a almacenar. Descargas muy
rápidas requieren tolvas de paredes muy inclinadas y altas. Los silos de fondo plano
se utilizan cuando la velocidad de descarga que se necesita es baja, el tiempo de
almacenamiento es largo y el volumen de material es grande.
Patrón de flujo
En la ilustración 3 se describen dos tipos de flujo, uno conocido flujo de masa y el
otro flujo de embudo. La presión de descarga está influenciada por dichos
patrones y, por tanto, debe asegurarse dicho patrón antes del cálculo de las
cargas debidas al material
almacenado. En el caso del flujo de
masa, todo el contenido fluye
como una masa única y el flujo
ocurre de manera que el material
que entra primero sale primero.
En silos de flujo de embudo el
material fluye por un canal central
y, por tanto, el último que entra es el
primero que sale.
El tipo de flujo depende de la
inclinación de las paredes de la
tolva y del coeficiente de rozamiento de material contra las paredes. El flujo de
masa ocurre cuando las paredes de la tolva son altas e individuales mientras que
el embudo aparecen silos compactos con paredes de tolvas poco inclinadas.
Según el euro código da a conocer el siguiente grafico para la determinación del
flujo.
Ilustración 2. Tipos de silos
Ilustración 3. Tipos de flujos
4
MATERIAL ESTRUCTURAL
La mayoría de los silos como se había mencionado anteriormente son de acero u
hormigón armado. La elección entre los tipos de material depende bajo el punto
de vista económico que incluye el costo de los materiales, de la fabricación y
montaje; entre otros factores como el espacio disponible.
Así como se tiene en cuenta la parte económica también se debe tener presente
las desventajas y ventajas de cada material, así como el acero es muy fácil de
transportar instalar y desarmar también tiene una falla y es que este hay que
hacerle mantenimiento constante debido a la corrosión y al desgaste y otra es la
necesidad de forrar las paredes debido a que el agua del medio tiende a
condensarse y dañar el producto almacenado.
Otros dos factores que hay que considerar es la geometría y también que Las
paredes de los silos están sometidas a esfuerzos, esto ocurre de forma horizontal
debido al empuje del material y vertical por el rozamiento del producto
almacenado con las paredes del depósito. Este último produce el efecto de
pandeo en las superficies de los silos.
La ilustración 5 muestra la variación de las cargas horizontales y verticales con
respecto a la altura, se ha determinado que es preciso la selección del material de
hormigón cuando se requieran silos altos y metálicos para silos de poca altura.
Ilustración 4. Determinación de flujo
5
DISEÑO
El diseño de silos va de la mano con la
seguridad y durabilidad del mismo, es por
eso que a lo largo de estos años se han
desarrollado diferentes modelos, los
cuales ayuden a estimar las acciones
producidas por partes de los materiales
sobre la estructura y así construir
almacenamientos que sean fiables y muy
seguros (incluye las presión debida para
la carga y descarga). Entre todas las
investigaciones realizadas, la teoría Janssen (1895) y completada por Köenen es
la que ha alcanzado mayor fama entre las demás teorías y además que aún hoy
sigue siendo válida y es usada como referencia en muchas normativas vigentes
como la del Euro código.
Teoría de Janssen y Köenen
Tiene como objetivo estimar las presiones verticales producidas en el interior de la
masa de grano almacenado, y las presiones horizontales que se ejercen sobre la
pared del silo a distintas alturas. El planteamiento de esta teoría da pie a una serie
de consideraciones que se mencionan a continuación:
Las presiones verticales, 𝑃𝑣,permanecen constantes en el caso de superficies
horizontales
El valor del ángulo de rozamiento entre la pared y el material almacenado,
𝛿 , es constante
El peso específico del material almacenado, 𝛾 no varía en ningún punto del
silo.
Se considera que las paredes del silo son completamente rígidas.
La relación entre las presiones horizontales y verticales, es constante para
cada altura del silo e igual a :
𝑘 =𝑃ℎ
𝑃𝑣 (1)
Donde 𝑃ℎ representa las presiones horizontales; y 𝑃𝑣son las presiones verticales.
Ilustración 5. Comportamiento de la presión
con respecto a la altura
6
Se pueden aplicar las teorías de Mohr-coulomb y Rankie para los materiales
granulares almacenados en el silo.
Con las consideraciones, ahora se procede a tomar un elemento diferencial como
se muestra en la ilustración 6, situado a
una profundidad z y con una altura, dz,
donde se establece un equilibrio entre
las fuerzas actuantes, y a partir del ahí
se podrán calcular las presiones
ejercida sobre la pared en cualquier
altura del silo.
Dado a que se encuentra en reposo, se
establecerá un equilibrio entre el
peso del elemento diferencia 𝑑𝑤 y
las presiones verticales existentes , 𝑃𝑣𝑦 𝑃𝑣 + 𝑑𝑃𝑣 y las fuerzas de rozamiento aparecida
debido al empuje del material sobre las paredes 𝑃ℎ . 𝑡𝑔𝛿.
𝑃ℎ . 𝑡𝑔𝛿. 𝑈 + (𝑃𝑣 + 𝑑𝑃𝑣 − 𝑃𝑣). 𝐴 − 𝑑𝑤 = 0 (2)
𝑑𝑤 = 𝛾. 𝐴. 𝑑𝑧 (3)
En donde
U: Perímetro de la pared del silo para la altura z considerada
A: Es el área de la sección isobárica del silo
𝛾:Peso especifico del material almacenado
𝛿: Angulo de rozamiento entre la pared del silo y el material almacenado.
La ecuación (1) se puede tomar de forma diferencial se convierte en la siguiente
ecuación
𝑑𝑃𝑣 . 𝑘 = 𝑑𝑃ℎ (4)
Se Toma como condición límite que el empuje horizontal en la parte superior del
silo es nulo, lo cual significa que para z=0, 𝑃ℎ = 0. finalmente resolviendo la
ecuación diferencial formada por las ecuaciones 2,3 y 4 se obtiene la expresión
general de la fórmula de Janssen:
Ilustración 6. Elemento diferencial del silo
7
𝑃ℎ =𝛾
𝑡𝑔𝛿∙
𝐴
𝑈∙ (1 − 𝑒
−(𝑈
𝐴∙𝐾∙𝑡𝑔𝛿)∙𝑧
) (5)
La ilustración 7 muestra el comportamiento
de la expresión general de Janssen donde
se observa la curva exponencial cuyo valor
asintótico para 𝑧 → ∞, coincide con el valor
de la presión horizontal máxima
𝑃𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 =𝛾
𝜇𝑅ℎ (6)
Donde:
𝜇: 𝑡𝑔𝛿
𝑅ℎ: 𝑈𝐴⁄ ; También conocido como radio hidráulico
Por otro lado, si se tiene en cuenta el punto de corte de la tangente en el origen
(z=0) y la asíntota, se obtiene la ordenada característica 𝑍0:
𝑍0 =𝑟
𝑘∙𝜇 (7)
Reemplazando (6) y (7) en la ecuación en (5) se obtiene la ecuación que
representa la teoría de Janssen:
𝑃ℎ = 𝑃𝑚𝑎𝑥(1 − 𝑒−𝑧/𝑧0)
El método está sujeto a la selección de un valor para la relación entre la presión
horizontal y la presión vertical (k) que pueden ser obtenidos por medio de una tabla
que es realizada de forma empírica con distintos materiales y además que no tiene
en cuenta los cambios de presión que producen los materiales al momento de
almacenarlos, estos pulen o hacen más rugosas las paredes dando lugar a cambios
de presión. Por lo tanto se aconseja tener en cuenta estas características.
TOLVAS DE ALMACENAMIENTO
Consisten de un recipiente o depósito en la sección superior cuyos lados son
verticales, y un depósito inferior con por lo menos uno de sus lados inclinados; este
depósito está ubicado entre el contenedor de almacenamiento y la salida del
recipiente.
Ilustración 7. Presiones en función de la profundidad de
almacenamiento
8
Criterios de diseño
Para el diseño adecuado de este dispositivo de almacenamiento de debe
determinar primero si éste trabajará con flujo de masa o flujo de embudo; además
de tener en cuenta las dimensiones de salida de la tova para que el producto fluya.
Relación flujo de masa-embudo.
Para esto se debe tener en cuenta el ángulo cinemático de fricción el cual está
relacionado con el grado de compresión que sufre una partícula en el
almacenamiento. Este ángulo de fricción es una medida entre el coeficiente de
fricción del solido con las paredes de la tolva, del material que se va a utilizar o del
que está hecho el dispositivo. El acabado de la superficie de la tolva puede tener
efectos importantes a la hora de determinar si el recipiente seria de flujo de masa
o embudo y esto es lo que determinará dicha selección.
Como se mencionó anteriormente una vez establecida la relación entre el ángulo
de fricción cinemático y el ángulo de la tolva (cónica) se puede determinar si el
depósito a construir será de flujo e masa o de embudo.
Ilustración 8. Relación flujo de masa-embudo
Ya escogido el tipo de flujo, se toman en cuenta ahora para determinar la salida
de la tolva y el tipo de alimentador al depósito.
Abertura de la tolva 𝐸 = 22𝑓/𝛼
Donde 𝛼 es la densidad a granel del material almacenado y 𝑓 es la resistencia de
deformación
9
Dicha resistencia es aquella que ofrece el sólido cuando forma un arco al tocar las
paredes del depósito y se comprime a una presión P, esto trae consigo un aumento
en coeficiente de fricción. Para romper esa resistencia que ofrece este fenómeno
y lograr que el flujo fluya nuevamente se necesita de una fuerza 𝑠 ejercida sobre
dicho arco. En resumen
𝑠𝑖 𝑓 < 𝑠 ℎ𝑎𝑦 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝑠𝑖 𝑓 > 𝑠 𝑁𝑂 ℎ𝑎𝑦 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝑠𝑖 𝑓 = 𝑠 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜
Especificación de los materiales a granel para obtener el mejor flujo y eliminar
los problemas que se presenten a la hora de la operación.
Tamaño de partícula; en general cuanto mayor es el tamaño de la partícula y
más libre esté el material de partículas finas, más fácilmente fluirá éste. El
proceso de molienda puede mejorar las capacidades de flujo proporcionando
un mínimo de partículas finas. La granulación de materias primas, el tamaño
grande de la partícula, los tamaños uniformes junto con las superficies lisas de
las partículas del solido también aportan de manera significativa a que el flujo
se transporte con mayor facilidad.
Contenido de humedad; el hecho que un material obtenga humedad del
medio conduce a problemas de flujo y para minimizar esto se recomienda
colocar en la línea de operación un dispositivo de secado. Otra forma de evitar
este inconveniente es reemplazar el aire que se encuentra en el depósito por
un gas seco y de igual forma proteger el material contra el deterioro.
Temperaturas elevadas; En la industria encontramos materiales los cuales se
hacen pegajosos a temperaturas elevadas cómelos azucares por sus elevadas
solubilidades y bajos puntos de fusión y traen consigo problemas a la hora de
transportarlos; para evitar esto se recomienda el uso necesario de un equipo de
enfriamiento para evitar perdida de flujo.
El envejecimiento del producto en ocasiones mejora la capacidad de flujo de
algunos materiales debido a la composición química, la oxidación, y la
distribución más uniforme de la humedad en la superficie así como el redondeo
de las esquinas de la partícula disminuyendo la fricción de estas con el depósito
y mejorando el flujo.
El contenido de aceite no reduce la capacidad de flujo ya que mejora la
calidad de los gránulos endureciéndolos y así disminuyendo la fricción
10
El Control de nivel de sólidos es importante para determinar en los depósitos y
tolvas para proteger los transportadores y los dispositivos de carga y descarga
de atascamientos y sobrepeso.
Alimentadores y dispositivos de ayuda para el flujo.
Esto dispositivos de ayuda para el flujo se utilizan para afrontar situaciones en las
cuales no se puede instalar un dispositivo de flujo de masa por limitaciones de
espacio y capacidad. Estos dispositivos también hacen parte del análisis a la hora
de diseñar estos recipientes de almacenamiento.
Tolvas vibratorias
Se utilizan para ampliar la salida en el dispositivo de almacenamiento y a su vez
hacer que el flujo mejore rompiendo los puentes que se crean por la fricción
mencionada anteriormente.
Ilustración 9. Tolva vibratoria
Se utiliza dos tipos de tolva vibratorias: las tolvas giratorias cuya vibración se da
perpendicularmente a la dirección de flujo y las tolvas tipo torbellino cuya
dirección es de manera circular ascendente y descendentemente haciendo que
se rompan los puentes y que se mejore el flujo.
Alimentadores de tornillo sin fin
Se utilizan para lograr una distribución de flujo uniforme, es decir un arrastre
uniforme de material. Para que hay un flujo de eta característica la relación entre
la abertura del alimentador de tornillo al diámetro no debe pasar de 6.
11
Ilustración 10. Tornillo sin fin
Alimentadores de banda articulada
Se utilizan de igual manera para originar un flujo de alimentación uniforme; pero
este tiene en cuenta que no se deben tener puntos muertos encima de la banda.
Estos alimentadores aumentan la capacidad formando una salida cónica entre la
banda alimentadora y la tolva para evitar que los gránulos no circulen libremente
sino que se mantengan en una sola dirección de flujo. Estos alimentadores de
banda se limitan a sólidos más finos.
Ilustración 11. Alimentador de banda
Alimentadores de banco
Se usa de la misma forma y con las mismas bases de los alimentadores de banda
12
Ilustración 12. Alimentador de banco
Alimentadores vibratorios
Proporcionan un flujo uniforme. Los sólidos tienden a endurecerse o compactarse;
este tipo de alimentador no es conveniente para sólidos que tienden a ser
pegajosos.
Ilustración 13. Alimentador vibratorio
13
Alimentadores de estrella
Proporcionan una salida uniforme a lo largo de la abertura. Se usa junto con un
tornillo sin fin para recolectar y transportar el producto.
Ilustración 14. Alimentador de estrella
Transportadores Neumáticos
En la industria química, una de las técnicas más usadas en el manejo de materiales
es el desplazamiento de materiales suspendidos en una corriente de aire, sobre
distancias horizontales y verticales que van de unos pocos a varios centenares de
pies. Los sistemas de transporte neumático se utilizan ampliamente en la industria
para transportar materiales secos, finos y a granel porque son extremadamente
versátiles, adecuados y económicos para muchos procesos. El transporte
neumático de sólidos se ha practicado por más de un siglo en el mundo y hoy se
puede encontrar sistemas de este tipo en las más variadas industrias: la minería,
industria del cemento y construcción, química y farmacéutica, plásticos, de
alimentos, papel, vidrio, energía, etc.
Se pueden manejar materiales que van desde polvos finos hasta gránulos de
6.35mm y densidad de masa desde 16 a más de 3200 Kg / m3.
La capacidad de un sistema neumático de transporte depende de:
1. El contenido de energía del aire de transporte a lo largo de todo el sistema.
2. La densidad de masa del producto, así como la forma y el tamaño de la
partícula.
3. El diámetro de la línea de transporte.
4. La longitud equivalente de la línea de transporte
Se logra una capacidad mínima cuando la energía del aire de transporte es
apenas suficiente para hacer que el producto se desplace a lo largo de la línea sin
detenerse.
14
Para evitar detenciones, en conveniente proporcionar un incremento adicional de
energía al aire, con el fin de que exista un factor de seguridad que permita cambios
mínimos en las características de los productos.
Tipos de sistemas neumáticos
Sistemas de vacío: se caracterizan por el desplazamiento de materiales en
una corriente de aire de presión menor que la ambiental.
Una de sus ventajas en que toda la energía de bombeo se usa para mover
el producto y se puede absorber el material en la línea del transportador sin
necesidad de un alimentador giratorio.
El material permanece suspendido en la corriente de aire hasta que llega a
un receptor. Ahí un filtro o un separador ciclón separan el material del aire,
haciendo pasar este último por el separador y al lado de la succión del
ventilador del desplazamiento positivo o alguna fuente de potencia.
Este sistema es útil cuando los flujos no sobrepasan los 6800 Kg/h, la longitud
equivalente del transportador es de menos de 305m y se deben alimentar
varios puntos distintos desde una sola fuente.
Son usados comúnmente para transportar materiales plásticos y otras
operaciones donde se requiera flexibilidad al escoger dispositivos de
recolección, fuentes de potencia, receptores.
Ilustración 15. Sistema de vacío
Sistemas de presión: Se deja caer el material en una corriente de aire (por
encima de la presión atmosférica) mediante un alimentador giratorio de
exclusas.
La velocidad de la corriente mantiene al material granel en suspensión hasta
que llega al recipiente receptor, donde se separa del aire mediante un filtro
o un separador de ciclón.
15
Se usan estos sistemas para materiales de flujo libre de casi todos los tamaños
de partículas, hasta gránulos de 6,35mm, cuando se necesitan indicen de
flujo de más de 151 kg/min. Este tipo de sistema neumático es conveniente
cuando una fuente deba abastecer a varios receptores.
Ilustración 16. Sistema de presión.
Sistemas de presión-vacío: son una combinación de los dos sistemas
anteriores. Se usa el vacío para inducir el material a entrar al transportador y
desplazarse a una corta distancia hasta un separador.
El aire pasa por un filtro al lado succión de un ventilador de desplazamiento
positivo. A continuación se alimenta el material a la corriente de aire de
presión positiva del transportador mediante un alimentador giratorio, que
procede del lado de descarga del ventilador.
La aplicación más típica es la del vehículo combinado a granel con
descarga y transferencia al almacén de productos.
Ilustración 17. Sistema de presión- vacío
Sistemas de fluidización: transportan frecuentemente materiales
prefluidizados, divididos finamente y aquellos que no fluyen con libertad a
16
distancias cortas, como por ejemplo desde las tolvas de almacenamiento o
vehículos de transporte a la entrada de un sistema principal de transporte.
La fluidización se logra por medio de una cámara en la que se hace pasar
aire por una membrana porosa que se forma en el fondo del transportador,
sobre el que reposa el material que va a ser desplazado.
Con forme el aire pasa por la membrana, cada partícula se ve rodeada, por
una película de aire. En el punto de fluidización incipiente el material tomas
las características del flujo libre. A continuación puede pasar una corriente
de aire del transportador mediante un alimentador giratorio.
Una de sus ventajas es que reduce el volumen del aire de transporte que se
necesita, por lo que requiere menos potencia.
La aplicación más común de este tipo de transportador es en los conocidos
vagones de tolva cubiertos “Airslide” de los ferrocarriles.
Ilustración 18. Sistemas de fluidización
17
Bibliografía
Gallego, E. (2006). Simulación de empujes del material almacenado en silos
con modelos de comportamiento del material no elástico (tesis doctoral).
Universidad politécnica de Madrid, España.
Carita, F. (2011). Diseño de construcciones soldadas (maestría en ingeniería
mecánica). Universidad pontificia de Perú, Perú.
J.L. Amorós, G. Mallol, E. Sánchez, J. García. Diseño de silos y tolvas para el
almacenamiento de materiales pulverulentos. Problemas asociados a la
operación de descarga. Universidad Jaume I Castellón. España.
PERRY, R. Manual del ingeniero químico. Sexta edición, tomo II.
McGraw Hill.
Vega, J.P. & Araque, C. E. (2009). Diseño y construcción de sistema de
transporte neumático mixto de dos etapas para cereales (tesis de
pregrado). Universidad industrial de Santander, Colombia.