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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

EMPLEO DE CICLONES EN LA INDUSTRIA MOLINERA AUTORAS: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

ALVARADO MAQUITO PATRICIA CASTILLO CATAÑO MILAGROS CRUZ MORALES NOELIA HUARACHA GOMEL XIOMY QUISPE BEDREGAL LIZBETH SÁNCHEZ TALAVERA YOMAIRA TAIRÓ NEIRA BRENDA MARIA VILLA GOMEZ KATHERINE ZUÑIGA VILLANUEVA CLAUDIA

2014

INDICE INTRODUCCIÓN .......................................................................... 1 I. OBJETIVOS............................................................................. 5 II. CONCEPTO:............................................................................ 5 III.

PARTES DEL CICLON: ........................................................ 6

IV. FUNCIONAMIENTO: ............................................................ 7 V. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS CICLONES ........... 12 VI. CLASIFICACION DE CICLONES ....................................... 13 6.1 CICLONES TANGENCIALES........................................ 15 6.2 CICLONES CLASIFICADORES: ................................... 18 6.3 CICLONES NEUMÁTICOS:........................................... 19 6.4 MULTICICLONES:......................................................... 20 6.5 OTRO TIPO DE CICLONES .......................................... 21 VII. DISEÑO DE CICLONES ..................................................... 21 VIII. FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LOS CICLONES .................................................................................. 24 IX.

APLICACIONES ................................................................. 28

X. CONCLUSION ....................................................................... 36 XI. BIBLIOGRAFIA................................................................... 36

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INTRODUCCIÓN La evolución de los circuitos de molienda, hasta llegar a los actuales, ha sido relativamente rápida durante los últimos 50 años, y ahora posiblemente estamos llegando al final de la escalada de tamaño de los molinos y sus equipos auxiliares como bombas centrífugas e hidrociclones. Los procesos gravimétricos de concentración antecedieron al proceso de flotación, y en consecuencia las necesidades de molienda en cuanto al grado de finura fueron menores. Sin embargo, al escasear los minerales ricos y nobles fue preciso reducir el tamaño de liberación obtenido en la molienda, la cual se realizaba con molinos de barras en circuito abierto. A medida que aumentó la dificultad de tratamiento, se hizo necesaria una molienda más fina, con bolas, combinándose ambos tipos de molinos, barras bolas. La descarga del molino de barras entraba directamente, como alimentación, al molino de bolas y la descarga del molino de bolas era enviada a la etapa siguiente de concentración, bien gravimétrica ó por flotación. Los procesos de flotación son mucho más sensibles a la dispersión del tamaño de partícula, tanto desde el punto de vista mecánico como metalúrgico, por lo que a medida que se extendió esta vía de concentración se hizo imprescindible el control del tamaño de molienda, dando lugar al nacimiento de los circuitos cerrados, con la inclusión de un clasificador que “fiscalizaba” el tamaño que finalmente debía enviarse a la etapa de concentración La necesidad de controlar el tamaño de las partículas enviadas desde la molienda hasta la etapa de concentración, obligó a introducir un clasificador entre ambas etapas, de modo que este clasificaba el producto entregado por la molienda, produciendo una fracción fina del tamaño requerido, y una fracción gruesa que retornaba a la cabeza del circuito de molienda cerrando así el circuito. Después de la segunda guerra mundial, la expansión industrial en la década de los 50, provoca un aumento de la demanda de los metales primarios como el hierro, cobre, plomo y zinc que trae como consecuencia el aumento de capacidad de las plantas de tratamiento y consiguientemente de sus circuitos de molienda. Este aumento se obtenía aumentando el número de secciones o líneas de molienda, todas ellas constituidas por circuitos barras-bolas con molinos de relativamente pequeño tamaño, entre 2,0 m y 2,5 m de diámetro. Se llegaron a construir plantas con hasta 12 o 15 líneas; un ejemplo todavía vigente podría ser el concentrador Sewell de la División El Teniente de Codelco Chile. Las elevadas inversiones en infraestructura y el enorme espacio necesario para albergar tantas líneas, obligaron a aumentar el tamaño de los molinos reduciendo así el número de secciones, y con ello el volumen de los edificios. El tamaño de los molinos creció hasta alcanzar el límite físico de los molinos de barras impuesto 1

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por la longitud máxima de las barras, sin que éstas pierdan su rectitud. Las dimensiones límite pueden establecerse en unos 6 m de longitud y unos 4 m de diámetro, con potencias del orden de 1.500 kW. A menudo la descarga del molino de barras se dividía en dos para trabajar en conjunto con dos molinos de bolas independientes, cada uno de ellos en circuito cerrado con su clasificador; en ocasiones un molino de barras alimentaba a tres molinos de bolas, un ejemplo podría ser el concentrador de la División Andina de Codelco Chile, o el concentrador Toquepala, de Southern Perú. A mediados de los 80 como consecuencia de la crisis petrolífera, cae el precio de los metales y los productores se ven forzados a reducir sus costos de operación. El aumento de la capacidad de molienda de las plantas procesando minerales de alta ley resulta rentable, ya que la pérdida de recuperación al moler más grueso se ve compensad con el aumento de capacidad, es decir en definitiva se produce más metal. Elevando el tamaño de molienda, se aumenta su capacidad con mínimas inversiones en la molienda, siendo tan sólo necesario aumentar el volumen de flotación, lo cual representaba una inversión reducida frente a las inversiones que se requerirían en la molienda. En definitiva se llega a una situación extraña donde hidrociclones de un cierto tamaño, por ejemplo 500 mm, operando en condiciones desfavorables alcanzan el corte que darían hidrociclones de tamaño superior, por ejemplo de 650 mm de diámetro, pues es de todos conocido que el corte de un hidrociclón, aumenta exponencialmente con el aumento de la concentración de sólidos. Aparece en escena el hidrociclón de fondo plano, de diseño diferente, totalmente cilíndrico y acabado en un fondo prácticamente horizontal. Esta configuración, desarrollada por el profesor Helmut Trawinski para ampliar el rango de tamaños de corte de los hidrociclones, permite alcanzar con un determinado hidrociclón cortes que se obtendrían con ciclones de diámetro superior. En resumen este diseño permite que un ciclón por ejemplo de 500 mm realice el corte de un ciclón de 650 mm o mayor, pero lo que es importante de modo natural, sin necesidad de forzar los parámetros operativos, es decir operando con una alta eficiencia. En varios circuitos de molienda, ciclones convencionales cónicos de 500 mm y de 650 mm son remplazados por hidrociclones de fondo plano de 400 mm y 500 mm, que al operar con una mayor eficiencia permiten bien recuperar el tamaño de corte perdido sin perder capacidad de molienda, o bien aumentar la capacidad de molienda, manteniendo el tamaño de corte. Cambios de posición en los hidrociclones, tratando de llevarlos cerca de la posición horizontal, tienen también lugar, como resultado de la búsqueda de tamaños de corte mayores o aumentos de capacidad. 2

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Por supuesto también hubiera sido posible reemplazar los ciclones con otros de mayor tamaño, como se hizo en varias plantas, pero esto eliminaría una de las ventajas operativas de los hidrociclones, la flexibilidad. Como siempre hay gustos para todo, y hay operadores que prefieren circuitos con el menor número de ciclones, y yendo al límite un solo hidrociclón por cada sección de molienda, lo que es posible en plantas de medio tonelaje. Otros operadores prefieren disponer de al menos cuatro ciclones para variando el número de unidades en operación, ajustarse a las variaciones de tratamiento, causadas por diferencias en la dureza y granulometría del mineral. Obviamente las plantas de nueva construcción ya son diseñadas con hidrociclones de mayor tamaño, de acuerdo a las necesidades de molienda establecidas, surgiendo el hidrociclón de 650 mm e incluso superior como el tamaño estándar en las plantas de cobre de última instalación, especialmente en las plantas de molienda autógena y semiautógena. Afortunadamente para los ingenieros de proceso la naturaleza es variada y los minerales cambian no sólo en base a su localización horizontal, sino también a su situación vertical, lo que significa que el tamaño de liberación cambia de un continente a otro y en un mismo yacimiento en base a su profundidad. Mientras que en el continente americano los tamaños de molienda suelen ser del orden de 200/300 m en el viejo continente, Europa, suelen ser la décima parte 20/30 m, y lógicamente esto obliga a emplear ciclones de pequeño diámetro, inferiores a 250 mm. Un ejemplo típico sería las plantas españolas y portuguesas tratando los sulfuros complejos de la faja pirítica ibérica. A principios de los años 80 aparece en escena la molienda semiautógena, SAG, y la autógena, AG, buscando principalmente reducir los costos operativos al reducirse o eliminarse el consumo de los medios de molienda, e igualmente la potencia absorbida por los molinos. La trituración queda reducida a una sola etapa, en general con un triturador primario de cono con admisión de hasta 1.500 mm, que entrega a la molienda un producto < 200 mm. Una vez solventados los problemas mecánicos y operativos de estos nuevos molinos, como la estabilidad de operación y la rotura de blindajes entre otros problemas, da comienzo de nuevo una escalada en los tamaños de molinos que no ha parado hasta la fecha, habiéndose alcanzado diámetros de hasta 12 m. El desarrollo de la molienda autógena ha sido menos impetuoso, debido quizás al requerir estos molinos características específicas del mineral a moler, que limitan su aplicación. 3

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En la actualidad Los proyectos mineros realizados en la última década, están en su mayoría basados en molienda autógena o semiautógena, siendo esta última la que mayores capacidades unitarias de tratamiento ha alcanzado. Los monstruosos molinos SAG de 12 m de diámetro y más de 20 MW de potencia, permiten alcanzar capacidades del orden de 2.000 t/h, valores bastante lejanos de las 10 t/h que se obtenían con los “molinillos” de 2 m de diámetro y 200 kW, figura 10. Estos molinos “gigantes” tanto autógenos y semiautógenos como de bolas presentan grandes problemas de diseño, no sólo en lo que respecta a su estructura mecánica sino también al modo de aplicar la enorme potencia requerida para su accionamiento. Las últimas generaciones de molinos, diseñados con la ayuda de potentes ordenadores y programas basados en cálculo por elementos finitos, presentan notables diferencias con sus predecesores los molinos simplemente “grandes”. Una última tendencia es reemplazar los cojinetes tradicionales en los cuellos de entrada y salida del molino por apoyos directos flotantes sobre la virola de modo similar a la solución adoptada para el motor eléctrico; de este modo se eliminan las restricciones de paso en los cuellos del molino, y pueden soportarse mejor las elevadísimas cargas generadas por estos enormes molinos. Estos nuevos desarrollos que surgieron en Europa hace casi 20 años, son la base actual del movimiento hacia el gigantismo, pero no hay que olvidar que algunos de estos “supermolinos” siguen teniendo serios problemas mecánicos que han causado difíciles situaciones económicas, tanto para los constructores de los molinos como para sus usuarios. En los circuitos con molinos gigantes, se manipulan pulpas, con caudales del orden de 6.000 m3/h, que deben ser bombeadas a las baterías de hidrociclones. Se han desarrollado bombas centrifugas de pulpas, también gigantescas, de más de 500 mm de diámetro de aspiración, accionadas por motores de más de 1.000 kW. En el futuro El aumento de capacidad en las plantas de tratamiento va en la dirección de reducir los costos operativos, como única alternativa de supervivencia frente a los cada vez más bajos precios de los metales básicos. Hace tan sólo unos años que han empezado a desarrollarse procesos de biolixiviación que van a permitir, una vez puestos a punto, reducir drásticamente los costos de producción. Hoy día está sobradamente demostrado que las actividades industriales, necesarias para la supervivencia de nuestra sociedad, no son en absoluto incompatibles con la conservación de nuestro hábitat, el tan en boca de todos Medio Ambiente. 4

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I. OBJETIVOS  Conocer el funcionamiento y las aplicaciones de los ciclones de molienda en la industria alimentaria.  Conocer los diferentes tipos de ciclones y su importancia.

II. CONCEPTO: Un ciclón es un dispositivo usado con mucha frecuencia en la industria, y también en la vida doméstica, para separar las partículas sólidas que son arrastradas por una corriente gaseosa Los ciclones son colectores centrífugos en los que la entrada de aire es tangencial al cuerpo del cilindro, de esta manera se fuerza a las partículas a dirigirse hacia las paredes, donde perderán su energía y caerán a un colector o tolva situado en la parte inferior del cuerpo. Los ciclones remueven el material particulado de la corriente gaseosa, basándose en el principio de impactación inercial generado por la fuerza centrífuga. El ciclón es esencialmente una cámara de sedimentación en que la aceleración gravitacional se sustituye con la aceleración centrifuga. Los ciclones constituyen uno de los medios menos costosos de recolección de polvo, tanto desde el punto de vista de operación como de la inversión. Estos son básicamente construcciones simples que no cuentan con partes móviles, lo cual facilita las operaciones de mantenimiento. Pueden ser hechos de una amplia gama de materiales y pueden ser diseñados para altas temperaturas (que ascienden incluso a 1000 °C) y presiones de operación. Son adecuados para separar partículas con diámetros mayores de 5 µm, aunque partículas mucho más pequeñas, en ciertos casos, pueden ser separadas. Presentan eficiencias mayores que la cámara de sedimentación gravitacional y eficiencias menores que los filtros de talegas, lavadores y precipitadores electrostáticos. En un ciclón el gas entra en la cámara superior tangencialmente y desciende en espirales hasta el ápice de la sección cónica, luego asciende en una segunda espiral, con diámetro más pequeño y sale por la parte superior a través de un ducto vertical centrado. Los sólidos se mueven radialmente hacia las paredes, se deslizan por las paredes y son recogidos en la parte inferior. El diseño apropiado de la sección cónica del ciclón obliga al cambio de dirección del vórtice descendente, el vórtice ascendente tiene un radio menor, lo que aumenta las velocidades tangenciales; en el cono se presenta la mayor colección 5

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de partículas, especialmente de las partículas pequeñas al reducirse el radio de giro. La literatura reporta el uso de los ciclones generalmente en la recolección neumática de polvo generados en las industrias y no como separadores por tamaño de partículas, uso especial que se le quiere dar en este proyecto. Es importante tener en cuenta, para entender el funcionamiento de un ciclón, que éste es esencialmente una cámara de sedimentación en la que la aceleración gravitacional se sustituye por la aceleración centrífuga. Esta última aceleración la adquieren las partículas debido a la geometría del ciclón haciendo que las de mayor masa se sedimenten en la parte inferior del cono y las de menor masa sean arrastradas por la corriente de aire a la parte superior. Un ciclón que se diseñe con eficiencias de recolección menores de 100% podría convertirse en un dispositivo para hacer separación de partículas de diferentes tamaños.

III.

PARTES DEL CICLON: Dc : diámetro del ciclón De : diámetro del conducto de salida del gas limpio, es la mitad del diámetro del ciclón Lc : longitud del barril Zc : longitud del cono del ciclón Hc : altura del conducto de entrada rectangular. Lw : ancho del conducto de entrada tangencial Jc diámetro de la pierna del ciclón Las partes principales son: la entrada del producto molido, conectada tangencialmente en la parte superior del cuerpo cilíndrico o barril del ciclón. FIG. 1: Partes del ciclón

El barril cumple la función de imprimir al gas un movimiento en espiral descendente.

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Conectado al barril hay un cono invertido que cumple la función de conducir el polvo separado hacia el tubo de descarga, de longitud variable, también denominado cola o pierna del ciclón. En la base del cono invertido se produce la inversión del flujo de gas, de modo que el gas comienza allí una espiral en forma ascendente, concéntrica a la espiral descendente, saliendo el gas con las partículas más finas del producto molido por el conducto superior de salida. Siguiendo este mismo proceso para partículas mas finas. Los polvos separados son descargados en la pierna del ciclón. En la cola del ciclón puede existir o no una válvula de chanela que se abre solamente por el peso de los sólidos acumulados en la pierna del ciclón, produciendo de esta manera la descarga de los polvos.

IV.

FUNCIONAMIENTO:

El gas ingresa por el conducto de entrada del ciclón a una velocidad Vi (velocidad de entrada al ciclón). Este conducto se halla ubicado en forma tangencial al barril o cuerpo del ciclón. Entra al barril y comienza el movimiento en espiral descendente. El cambio de dirección genera un campo centrífugo equivalente a cientos de veces el campo gravitacional terrestre. Las partículas transportadas por el gas debido a su inercia, se mueven alejándose del centro de rotación o “eje del ciclón”, por acción de las líneas de fuerza del campo centrífugo, alcanzando las paredes internas del barril del ciclón, donde pierden cantidad de movimiento y se deslizan por la pared del barril hacia el cono y desde allí a la pierna del ciclón. El gas en su movimiento descendente va despojándose de las partículas sólidas y al llegar a la base del cono, invierte el flujo, siguiendo una espiral ascendente ya libre prácticamente de partículas (“gas limpio”). El movimiento del gas en el interior del ciclón consiste en una trayectoria de doble hélice. Inicialmente realiza una espiral hacia abajo, acercándose gradualmente a la parte central del separador, y a continuación se eleva y lo abandona a través de una salida central situada en la parte superior. Esta doble espiral es la que se denomina flujo ciclónico. Las partículas más grandes y más densas son forzadas hacia las paredes del ciclón, dejando atrás las partículas. Una vez que el gas penetra tangencialmente en el equipo se distinguen dos zonas de características distintas de movimiento: En la zona próxima a la entrada del gas y en aquella más exterior del cilindro predomina la velocidad tangencial, la velocidad radial es centrípeta y la axial de sentido descendente. La presión es relativamente alta. 7

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En la zona más interior del cilindro, correspondiente al núcleo del ciclón y con un diámetro aproximadamente igual a 0,4 veces el del conducto de salida del gas, el flujo es altamente turbulento y la presión baja. Se da el predominio de la velocidad axial con sentido ascendente.

FIG. 2: Funcionamiento del ciclón Por tanto, cualquier partícula se encuentra sometida a dos fuerzas opuestas en la dirección radial, la fuerza centrífuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son función del radio de rotación y del tamaño de la partícula, por esta razón las partículas de tamaños distintos tienden a girar en órbitas de radios distintos.

FIG. 3: Vista superior del ciclón 8

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Como la fuerza dirigida hacia el exterior que actúa sobre la partícula aumenta con la componente tangencial de la velocidad, y la fuerza dirigida hacia el interior aumenta con la componente radial, el separador se debe diseñar de manera que la velocidad tangencial sea lo más grande posible mientras que la velocidad radial debe ser lo más pequeña posible.

Donde: • • • • •

Fc: fuerza centrífuga Fd: fuerza de rozamiento Vt: velocidad tangencial Vr: velocidad radial r: radio de la órbita

El uso de un sistema de asistencia por aire en un sistema de molienda bien diseñado ayudara a reducir los costos de energía, a controlar el tamaño de las partículas, a reducir el calentamiento, controlar el polvo y reducir la presión que se crea en el molino. Hay dos sistemas de asistencia por aire: •

En el primero, el molino descarga por debajo a un plenum o cámara que tiene instalado un ciclón o filtro de mangas, que permiten que el producto y las partículas finas recolectadas por las mangas o bolsas del filtro sean descargadas a un transportador común. El plenum o cámara es la tolva del ciclón o filtro de mangas, así como la tolva de descarga del molino, lo cual simplifica el sistema para tener un solo transportador y una sola esclusa rotativa. El único ducto que se tiene es el que conecta el ventilador con el filtro de mangas o el ciclón.

•

En el segundo, el molino descarga en un recolector para que el producto sea transportado neumáticamente a un filtro o ciclón recibidor. En este diseño el molino puede estar instalado en la planta baja y también eliminar los transportes mecánicos. El sistema de asistencia por aire y el sistema de transporte del producto es uno solo y es el mismo. Este sistema requiere unos ductos más pesados, reforzados, requiere más volumen de aire y requiere una mayor presión estática. El motor del ventilador requerirá más potencia. 9

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Los sistemas de asistencia por aire o aspiración en los molinos de martillos sirven para los siguientes propósitos: • Dan soporte y mejoran el proceso de molienda activamente, creando un vacío en la cámara de molienda para facilitar el paso de las partículas molidas a través de los orificios de la malla y manteniendo a estos limpios después del paso del producto. • La temperatura de molienda puede ser mantenida en niveles bajos que por lo general están 10º C por encima de la temperatura del producto a la entrada. • La capacidad del molino puede ser incrementada de alguna manera y el calentamiento del producto minimizado. • Manejando el volumen adecuado de aire las perdidas de humedad serán menores. Para volúmenes de aire altos, las pérdidas se aumentaran y además habrá un mayor consumo de energía por tener unos ciclones y filtros más grandes. Aunque las capacidades varían según el tipo de molino de martillos, de la velocidad periférica, tamaño de las perforaciones de la criba o malla, y del producto a ser molido, los molinos de martillos que tienen asistencia por aire comparados con los que no tienen asistencia por aire producirán entre un 10% y un 40% más. Los martillos que giran a altas velocidades crean una presión estática dentro de la cámara de molienda y en los equipos de transporte. Si el sistema de molienda no se sella para que resista esta presión estática, el polvo creado por la reducción del tamaño de las partículas se saldrá a la atmósfera por la abertura más pequeña, siendo este polvo orgánico en suspensión un combustible potencial para una explosión y una de las fuentes de las mermas. El sistema de asistencia por aire crea una caída de presión de 2 a 5 pulgadas de agua (WC) (5 – 12 mbar) que aliviara la presión estática. La succión de aire a través del molino ayudara a las partículas a moverse hacia la malla, que con la fricción entre estas y la malla, reducirán su velocidad, haciendo que el flujo de aire negativo hale las partículas a través de las perforaciones de la malla. La pérdida estática a través del molino variará dependiendo del producto a moler, del área de la malla y del volumen de aire en el sistema. La mayoría de los sistemas de asistencia por aire están diseñados para hallar de 1 a 2 pies³/min por cada pulgada cuadrada de superficie de malla o criba (1.7 – 3.4 m³/hora por cada 6.45 cm²).

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Se debe permitir que el 75% del aire entre al molino cerca de la entrada del mismo. La entrada de aire debe tener el mismo ancho y la misma área que la entrada del molino. El aire entrara al molino con el producto y será halado a través de la malla con el material molido, para lo cual necesitara entre 1 - 1½ pulgadas de agua (WC) de vacío (2.5 – 3.7 mbar) a la entrada del molino. El resto de aire debe entrar a través de los orificios de venteo, ubicados normalmente en las puertas laterales que dan acceso a la cámara de molienda, con lo cual se creara una presión negativa afuera de la malla que ayudara a mantener las mallas limpias y mejorara la eficiencia del molino. Se puede usar un ciclón o un filtro de mangas para captar el polvo. Cualquiera de estos que se use debe ser dimensionado de acuerdo al volumen de aire requerido y basado en las características del producto a moler y el tamaño de las partículas molidas. Si el ciclón o el filtro de mangas se instalan con un sistema neumático negativo, es necesario instalar una esclusa rotativa a la descarga del ciclón o a la descarga del transportador de evacuación del producto molido. La mayoría de los sistemas de asistencia por aire trabajan muy bien con un transportador de tornillo a la descarga del molino. Los molinos que giran a 3.600 RPM requieren un mínimo de 1 - 1¼ pies³/min de aire por pulgada cuadrada de superficie de malla o criba (1.7 – 2.12 m³/hora por cada 6.45 cm²). Los molinos que giran a 1800 RPM requieren un mínimo de 1 de pies³/min de aire por pulgada cuadrada de superficie de malla (1.7 m³/hora por cada 6.45 cm²). El volumen de aire debe ser medido a la salida del molino y a una presión de vacío de 5 pulgadas de agua (WC) (12.44 mbar). El sistema de asistencia por aire necesita un área en el plenum para disminuir la velocidad que trae el aire, permitiendo así que el producto molido y el polvo puedan caer al transportador. El área seccional del plenum o cámara no puede ser muy grande y debe ser diseñada para que la velocidad del aire en el plenum sea menor o igual a 15 veces la densidad del producto expresada en libras/pie³. Por ejemplo, para maíz con una densidad de 45 libras /pie³ menor o igual a 675 (15 x 45) pies/min (205.74 metros /min). Para encontrar la velocidad del aire (o el área seccional), se divide el volumen del aire de aspiración por el valor conocido de la velocidad del aire. Por ejemplo: para maíz (675 pies/min con 1200 pies³/min de aire o 205.74 mt/min con 33.98 m³/min) se requerirá un plenum con un área de 1200/675 o sea de 1.8 pies² (33.98 / 205.74 o sea 0,17 m²). Un plenum o cámara más grande resultara en 11

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una velocidad del aire más baja y por ende menos producto pasando por el sistema de asistencia por aire. Generalmente se puede decir que cuando se requiere producto más fino: • • • • •

Se obtiene una menor capacidad en el molino El consumo de energía especifica en la molienda es mayor Mas calentamiento del producto en la molienda Más consumo de partes de desgaste (martillos, mallas, etc.) Un posible aumento en la formación de polvo

Para productos de baja densidad y fibrosos, generalmente se usa un sistema de transporte neumático que debe tener una base de descarga debajo del molino y el uso de un alimentador del tipo sifón de aire. En algunos sistemas de molienda gruesa o en algunos productos con alto contenido de grasa (harinas de carne, pluma, etc.) se utilizan sistemas sin aire con transporte mecánico o descarga por gravedad. Los molinos verticales, por el diseño tan particular que poseen, no requieren de un sistema de asistencia por aire. Se recomienda solamente tener una pequeña aspiración (3 – 5 m³/min según la capacidad del sistema), en el transportador tubular de descarga.

V.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS CICLONES

1. VENTAJAS DE LOS CICLONES Las ventajas de los ciclones incluyen las siguientes:  Bajos costos de capital.  Eficiencia de 99% para partículas de 5 micras o más.  Falta de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento.  Bajos costos de operación.  Instalación fácil económica, ensamblaje compacto.  Operación con gases a altas temperaturas.  Separa gran variedad de partículas.  Caída de presión relativamente baja, comparada con la cantidad de partículas removidas.  Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de construcción.  Colección y disposición en seco.  Requisitos espaciales relativamente pequeños. 12

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 Unidades múltiples con variados diseños disponibles.  El giro del rotor del molino o el de un aspirador conectado produce un flujo de aire rotatorio dentro del ciclón, que optimiza su rendimiento. Como resultado, la muestra y los útiles de molienda se refrigeran y mejora la descarga. Estos efectos son particularmente beneficiosos cuando se muelen materiales sensibles al calentamiento.  Circulación optimizada de aire.  Refrigeración de muestra y elementos de molienda.  Mejor descarga del material, lo que implica menor necesidad de limpieza.  Recuperación completa del material de muestra.

2. DESVENTAJAS DE LOS CICLONES  El principal problema de los ciclones es la rigidez de su diseño.  La eficacia es en función de las condiciones de operación; es decir, de las variaciones en el caudal circulante, de la concentración y granulometría de las partículas, de la temperatura del gas, etc.  Los ciclones se utilizan poco como equipos aislados.  Son sensibles a la presencia de gran cantidad de partículas, ya que provocan obstrucciones cuando el gas pasa por el equipo.  Eficiencias de recolección de partículas suspendidas totales relativamente bajas, particularmente para partículas menores de 10 micras.  No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes.  Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas caídas de presión

VI.

CLASIFICACION DE CICLONES TIPOS DE CICLONES DE ACUERDO A SU MECANISMO DE ENTRADA Y SALIDA.

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FIGURA 4: TIPOS DE CICLONES

En los ciclones el gas entra en el tope en forma: -

tangencial (figura 4.a y 4.b) axial (figura 4.c y 4.d).

La descarga de los sólidos puede ser: -

periférica (figuras.4.b y 4.d) axial (figuras. 4. a y 4.c).

De acuerdo a las distintas combinaciones de entrada del gas se distinguen entonces: (a)- entrada tangencial y descarga axial (Figura 4.a). (b)- entrada tangencial y descarga periférica (figura 4 b). (c)- entrada y descarga axiales (figura 4.c). 14

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(d)- entrada axial y descarga periférica (figura 4.d) Los ciclones de entrada de gas axial funcionan de manera similar que los de entrada tangencial, solo que en la entrada del gas (entrada anular) tienen dispuestos unos álabes fijos que le imprimen el movimiento en espiral al gas sucio que entra al ciclón. Los ciclones axiales tienen diámetros menores que los tangenciales (25 a 305 mm), debido a esto tienen alta eficiencia, pero baja capacidad Los ciclones de entrada tangencial y descarga axial representan el ciclón tradicional y, aunque se pueden construir con diámetros más grandes, lo más frecuente es que éstos se encuentren entre los 600 y los 915 mm. En los ciclones con entrada tangencial y descarga periférica, el gas sufre un retroceso en el interior del equipo al igual que ocurre en un ciclón convencional. Sin embargo, presenta el inconveniente de que el polvo no es eliminado en su totalidad de la corriente gaseosa, aunque sí se produce una concentración del mismo. En los ciclones con entrada y descarga axial la diferencia fundamental se encuentra en que los diámetros son de menores dimensiones (entre 25 y 305 mm), con lo que gracias a esta característica su eficiencia es mayor aunque su capacidad es menor. Por otra parte, los ciclones de entrada axial y salida periférica proporcionan un flujo directo que es muy adecuado para conectarlos a fuentes de gran volumen, donde los cambios en la dirección del gas podrían ser un inconveniente. El principio de funcionamiento tanto de los ciclones axiales como los tangenciales es el mismo. Los más usados son los ciclones de entrada de gas tangencial y salida del sólido axial, por lo cual nos limitaremos al estudio de estos.

6.1 CICLONES TANGENCIALES Los ciclones son un dispositivo de control de material particulado bastante estudiado, el diseño de un ciclón se basa normalmente en familias de ciclones que tienen proporciones definidas. Las principales familias de ciclones de entrada tangencial son: a) ciclones de alta eficiencia b) ciclones convencionales c) ciclones de alta capacidad.

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Los márgenes de la eficiencia de remoción para los ciclones están con frecuencia basados en las tres familias de ciclones, es decir, convencional, alta eficiencia y alta capacidad. Tabla . Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones Familia de ciclones.

a) Ciclones convencionales: Los gases sucios entran en una cámara cilíndrica a la cual se le ha adaptado una sección inferior cónica. Los gases giran hacia abajo y en el fondo del cono donde se ha fijado como accesorio una tolva, invierten su dirección mientras permanecen girando y al final salen a través de un conducto colocado al centro del ciclón.

Con las relaciones geométricas

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b) Ciclones de alta eficiencia: Los ciclones de alta eficiencia están diseñados para alcanzar mayor remoción de las partículas pequeñas que los ciclones convencionales. Los ciclones de alta eficiencia pueden remover partículas de 5 µm con eficiencias hasta del 90%, pudiendo alcanzar mayores eficiencias con partículas más grandes. Los ciclones de alta eficiencia tienen mayores caídas de presión, lo cual requiere de mayores costos de energía para mover el gas sucio a través del ciclón. Por lo general, el diseño del ciclón está determinado por una limitación especificada de caída de presión, en lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada.

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c) Ciclones de alta capacidad: Los ciclones de alta capacidad están garantizados solamente para remover partículas mayores de 20 µm, aunque en cierto grado ocurra la colección de partículas más pequeñas. Se ha reportado que los multiciclones han alcanzado eficiencias de recolección de 80 a 95 % para partículas de 5 µm.

En el proceso de purificación de aire se utilizan los llamados ciclones convencionales mientras que para la obtención de material con tamaño de partícula específico son más indicados los de alta eficiencia. Estos últimos están diseñados para alcanzar mayor remoción de las partículas pequeñas. Teniendo en cuenta las proporciones de los ciclones, se los clasifica en ciclones convencionales, de alta eficiencia y de alta capacidad. La eficiencia de separación depende del tipo de ciclón utilizado.

6.2 CICLONES CLASIFICADORES:

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a) Hidrociclones: En este clasificador hidráulico la interacción entre las partículas y el fluido se da por sedimentación, la descarga del sobre-tamaño se da por medios no mecánicos.

Los hidrociclones por su alta eficiencia de clasificación son utilizados en molienda de circuito cerrado 6.3 Ciclones Neumáticos: Este tipo de clasificadores realiza la descarga de los sobte-tamaños por medios no mecánicos y la interacción entre las partículas y el fluido se da por sedimentación. Su principal uso se da en la clasificación en seco y no posee restricciones de tamaño.

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6.4 MULTICICLONES: Equipo de filtraje que integra en un único cuerpo múltiples ciclones de pequeñas dimensiones, dispuestos, en paralelo, a fin de reducir la altura y volumen que, para el mismo caudal, se requeriría con ciclón. Las ventajas de un multiciclón son:      

Alta eficacia de separación para polvos Bajo coste debido a su construcción sencilla Bajo coste de mantenimiento, no existen elementos móviles. Bajo coste de operación por su pérdida de carga constante. Poco espacio ocupado incluso para grandes caudales Tendencias a tener caídas de presión.

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6.5 OTRO TIPO DE CICLONES

VII.

DISEÑO DE CICLONES

Los ciclones se diseñan habitualmente de tal modo que se satisfagan ciertas limitaciones bien definidas de caída de presión. Para instalaciones ordinarias que operan más o menos a la presión atmosférica, las limitaciones del ventilador dictaminan, casi siempre, una caída de presión máxima permisible correspondiente a una velocidad de entrada al ciclón dentro del intervalo de 15.2 a 27.4 m/s. Por consiguiente, los ciclones se suelen diseñar para una velocidad de entrada de 22 m/s, aunque no es necesario apegarse estrictamente a este valor. En la separación de partículas, la eficiencia de recolección puede cambiar sólo en una cantidad relativamente pequeña mediante una variación en las condiciones operacionales. El factor de diseño primario que se utiliza para controlar la eficiencia de recolección es el diámetro del ciclón. Un ciclón de diámetro más pequeño que funciona a una caída de presión fija alcanza la eficiencia más alta. Sin embargo, los ciclones de diámetro pequeño requieren varias unidades en paralelo para lograr una capacidad especificada. En tales casos, los ciclones individuales descargan el polvo en una tolva receptora común. El diseño final implica llegar a un término medio entre la eficiencia de recolección y la complejidad del equipo. Se acostumbra diseñar un solo ciclón para una capacidad particular, recurriendo a varias unidades en paralelo 21

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sólo cuando la eficiencia de recolección prevista es inadecuada para una sola unidad. Los ciclones en serie se justifican en aquellos casos en que el polvo tiene las siguientes propiedades: Figura. Ciclones en serie:

• Cuando tiene una distribución amplia de tamaños, incluyendo una porción importante de partículas más finas que 15 µm, en cuyo caso se utiliza un solo ciclón de diámetro grande para recoger la fracción de partículas gruesas y reducir la carga para una unidad con un diámetro más pequeño. • Cuando tiene una tendencia marcada a flocularse en el equipo que precede a los ciclones, al igual que en estos mismos. Cuando se reduce el diámetro del ducto de salida del gas se incrementa tanto la eficiencia de recolección como la caída de presión. Al aumentar la longitud del ciclón, casi siempre se observa un incremento en la eficiencia de recolección. Un ciclón operará bien, si el receptor de polvo es hermético. Es probable que la causa individual más importante para un funcionamiento deficiente del ciclón sea la fuga de aire hacia la salida de polvo del mismo. Una fuga ligera de aire en este punto provocará una reducción muy notable en la eficiencia de recolección, sobre todo, cuando se trata de polvos finos.

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En la parte inferior del cono se coloca generalmente una tolva para recibir el material particulado colectado; la tolva debe tener el volumen suficiente que evite la apertura frecuente del dispositivo de descarga, ya que la entrada de aire por la parte inferior del ciclón puede generar resuspensión de material colectado. Para la extracción continua del polvo recolectado se acostumbra usar una válvula rotatoria de estrella, una válvula de doble cierre, compuertas deslizantes manuales, tornillos sin fin y válvulas de contrapeso. En la figura 7 se observan algunos de estos dispositivos. Figura: Sistemas de descarga en un ciclón

En cualquier caso, es esencial proporcionar la suficiente capacidad de descarga y recepción para evitar que el material recogido se acumule dentro del ciclón. Las siguientes son algunas de las características que debe cumplir la corriente de emisión para utilizar ciclones: a) Caudal de aire: los caudales típicos de gas para unidades de un solo ciclón son de 0.5 a 12 m3/s a condiciones de referencia. Los caudales en la parte alta de este intervalo y mayores (hasta aproximadamente 50 m3/s) utilizan multiciclones. Hay ciclones que se emplean en aplicaciones especializadas, las cuales tienen flujos desde 0.0005 hasta 30 m3/s. 23

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b) Temperatura: las temperaturas del gas de entrada están limitadas únicamente por los materiales de construcción de los ciclones y han sido operados a temperaturas tan altas como 540oC. c) Concentración de partículas: las concentraciones típicas de partículas en el gas van de 2.0 a 230 g/m3 a condiciones de referencia. En aplicaciones especializadas, estas cargas pueden ser tan altas como 16.000 g/m3 y tan bajas como 1.0 g/m3. El procedimiento general de diseño es el siguiente: • Seleccionar el tipo de ciclón, dependiendo del funcionamiento o necesidades requeridas. • Obtener un estimativo de la distribución de tamaño de las partículas en la corriente gaseosa a ser tratada. • Calcular el diámetro del ciclón para una velocidad de entrada de 22 m/s (opcional), y determinar las otras dimensiones del ciclón con las relaciones establecidas para las familias de ciclones con base en el diámetro (tablas 2 a4). • Estimar el número de ciclones necesarios para trabajar en paralelo. • Calcular la eficiencia del ciclón y, si se requiere, seleccionar otro tipo de ciclón. • Calcular la caída de presión del ciclón y, si se requiere, seleccionar otro tipo de ciclón. • Calcular el costo del sistema y optimizar para hacer el mejor uso de la caída de presión disponible o, si se requiere, para dar el más bajo costo de operación. Los ciclones generalmente tienen como parámetros de diseño el diámetro del ciclón, la caída de presión y la velocidad de entrada y velocidad de saltación Tabla. Parámetros de diseño para los ciclones de entrada tangencial

VIII. FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LOS CICLONES 24

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DIFERENCIA DE PRESIÓN La diferencia de presión entre la entrada del alimento y el interior del ciclón influye directamente sobre la fuerza centrífuga que experimentan las partículas al momento de la entrada. Entre mayor sea la caída de presión, mayor es el caudal y menor es el tamaño límite de corte, ya que partículas más pequeñas adquieren la fuerza necesaria para vencer la succión de la corriente de derrame y por lo tanto lograrán llegar al extremo opuesto del punto de alimentación, donde la fuerza centrífuga se encarga de retenerlas en el interior del ciclón hasta descargarlas por la corriente (+).

DENSIDAD DE LA PULPA Un aumento de la densidad de la pulpa produce un flujo de mayor viscosidad y mayor interacción entre partículas, lo que hace que el tamaño de corte sea difuso, adicionalmente, aumenta el tamaño de corte. Generalmente se trabaja con pulpas hasta del 30% en peso de sólidos, sin embargo, en algunas operaciones de clasificación posteriores a la molienda se alimentan pulpas hasta con 60% de sólidos, pero esto aumenta el tamaño de corte.

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FORMA DE LAS PARTÍCULAS La forma de las partículas también influye en el tamaño de corte, las partículas de caras planas tienen mayor área sobre la que actúa la presión de succión, por lo tanto estas tienden a salir por la corriente de derrame. Un caso particular de este efecto se presenta en los minerales laminares, como la mica.

ÁREA DE ENTRADA DEL ALIMENTO A mayor área de entrada mayor podrá ser el caudal y la presión de alimentación, por lo tanto la caída de presión será mayor. La dirección de entrada de las partículas es otro factor importante en el tamaño límite de corte. Los dispositivos involutos reducen el tamaño de corte de la clasificación.

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TAMAÑO DEL BUSCADOR DE REMOLINO Entre mayor sea el diámetro del buscador de remolino, mayor será la capacidad para aplicar la presión de succión y si se mantiene constante la presión de alimentación, menor será la caída de presión, por lo tanto el tamaño de corte se reduce y aumenta la capacidad de la clasificación. TAMAÑO DEL ÁPICE Un tamaño insuficiente de la abertura del ciclón reducirá la entrada de aire al ciclón disminuyendo el rendimiento de la clasificación, por el contrario un tamaño excesivo facilitará la salida excesiva de líquido y con él partículas muy finas sin clasificar. El ángulo adecuado generalmente varía entre 20 y 30º.

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IX.

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APLICACIONES Se utiliza para separar centrífugamente la mezcla del polvo y aire. CAMPOS DE UTILIZACIÓN INDUSTRIA ALIMENTARIA       

Molinos de harina y sémola Producción de piensos Producción de galletas y macarrones Producción de frutos secos Las plantas de cebada Plantas de té Plantas de tabaco

OTRAS INDUSTRIAS ALIMENTARIAS INDUSTRIA QUÍMICA   

Plantas de pintura Plásticos de plantas Plantas de detergente

Figura Nº 5: ciclón para la industria alimentaria

INDUSTRIA DE MADERA INDUSTRIA DE PRODUCTOS QUE NO CONTIENE HIERRO. INDUSTRIA DE TIERRA Y CANTERAS INDUSTRIA CEMENTERA

ALGUNAS APLICACIONES CLASIFICACIÓN NEUMÁTICA DE HARINAS Se decidió que el ciclón de mayor tamaño trabajaría como clasificador aprovechando que la magnitud de su radio permitiría la separación de las partículas de menor tamaño que serían arrastradas por la corriente de aire y recolectadas en el ciclón pequeño conectado en serie con el primero.

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Esta línea de proceso constaba de tres etapas: molienda, clasificación en la tamizadora de vórtice y clasificación neumática con los dos ciclones en serie.

Figura Nº6: Ciclón clasificador y sus dimensiones.

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Figura Nº7: Ciclón recolector y sus dimensiones En la siguiente figura aparece el esquema de proceso para la harina de la planta piloto

Figura Nº8: Esquema de proceso para la harina 30

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En esta figura se observa el esquema de proceso para trozos secos. Estas líneas de proceso fueron objeto de evaluación en las actividades siguientes.

Figura Nº9: Esquema de proceso para trozos secos PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE PROTEÍNAS Proteínas de organismos celulares: Varias levaduras, hongos y bacterias son capaces de multiplicarse en grandes tanques sobre un caldo de cultivo que contenga C, H, N y P y algunos micronutrientes. Los substratos usados son: a) Residuos industriales que contengan hidratos de carbono (lejías residuales de fabricación de papel, residuos de industrias de conservas y zumos, etc.). b) Hidrocarburos (metano de gas natural o reacciones de gasóleo). c) Metanol y etanol. d) Caldos azucarados de la hidrólisis de los polisacáridos de residuos agrícolas y de madera. A estos medios de cultivo de añade sulfato amónico o urea, fosfatos y los micronutrientes necesarios: luego se inoculan con el cultivo microbiano y se oxigenan, en grandes tanques, inyectando aire nebulizado desde el fondo. La maduraciones muy rápida y en pocas horas, se obtiene una gran masa de 31

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levaduras, hongos o bacterias, ricas en proteínas de alto valor biológico. La masa de células vivas se lisa, se purifica y se seca para dar un granulado que contiene hasta un 70% de proteínas. Los productos más puros de venden para complementar alimentos y los menos puros para enriquecer piensos.

OBTENCIÓN DE HARINAS Los granos adquiridos sin moler se muelen en el molino de martillos (MM) situado en la planta baja. Con este aparato se alcanzan fácilmente tamaños de molido de 0.2-0.4 mm de diámetro. El molino está alimentado por su tolva ™ en la que va incorporado un alimentador y un extractor de metales. El material molido es transportado por la succión de un ventilador al segundo piso, donde un ciclón (C-1) lo separa del aire. El aire lleno de polvo muy fino atraviesa un segundo ciclón (C-2) antes de descargarse a la atmósfera, para evitar la polución y la pérdida de finos que todavía sirven. Los sólidos separados por ambos ciclones alimentan por gravedad a un tamiz (TR) situado en el primer piso. Con este tamiz (e malla intercambiable) se regula el tamaño máximo del molido a 0.5, 1.5 o 2.0 mm. Los rechazos de este tamiz se pueden empaquetar o volver 32

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a moler. Los finos van a descarar a una tolva intermedia (TI) pasando a través de otro sistema de imanes que atrae incluso las partículas ferromagnéticas más pequeñas. Los finos también se pueden empaquetar.

Figura Nº10: Almacenamiento intermedio pesado y mezclado

Figura Nº11: Granulación, enriamiento, secado desmigajado y almacenamiento del producto final APLICACIONES DE TRANSPORTE NEUMÁTICOS POR VACÍO Y PRESIÓN

DE

COMPONENTES

Facilitar la transferencia neumática de materiales sólidos a granel en procesos industriales. Entre nuestros servicios se incluyen la ingeniería de sistemas completos para aplicaciones de transporte neumático, 33

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pruebas exhaustivas de materiales y servicios de puesta en marcha, piezas de recambio y asistencia técnica. El transporte neumático es un elemento fundamental de muchos sistemas de manipulación de materiales a granel. Desde el desarrollo de sistemas de transporte sencillos a la resolución de problemas de manipulación de materiales difíciles, es un proceso a manipular con mayor eficacia gran variedad de materiales a granel. Los sistemas de transferencia neumática específicos de cada aplicación para la descarga y el almacenamiento de materiales a granel, así como para operaciones de pesaje y determinación del peso con báscula.

Figura Nº12. Esquema de transporte de componente neumático TRANSPORTE NEUMÁTICO SANITARIO Los sistemas de transporte neumático y equipos de gran calidad para las industrias alimentaria, farmacéutica, química y envasadora.  Sistemas en vacío de acero inoxidable o acero dulce sin polvo  Sistemas de vacío de fase densa para productos frágiles y premezclados  Controles sofisticados  Sistemas de fase diluida por presión positiva 34

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 Manipulación especializada de productos en polvo para productos que no fluyen fácilmente  Sistemas totalmente instalados  Sistemas resistentes a la abrasión  Pesadores de materiales múltiples de alta precisión  Los receptores serie P con filtro están diseñados especialmente para ser utilizados con materiales desmenuzables y polvos en aplicaciones sanitarias EN INDUSTRIA ALIMENTARIA Se utiliza en la producción de mezclas para tortillas de maíz, pan y tortas, pasta, arroz, aperitivos, cereales, caramelos, galletas dulces y saladas, helados, etc. CICLONES EN CAFE Con ellos se limpia el aire enfriado que arrastra partículas e impurezas del café desprendidas durante el proceso. Este aire se aspira por un ventilador y se provoca una expansión del caudal del aire, al tiempo en que se le pulveriza con agua a 3 bar de presión y a temperatura ambiente. Las partículas se humedecen y son centrifugadas hasta el fondo del ciclón. El aire, libre de partículas y enfriado por el efecto de la evaporación del agua y su contacto con las paredes humedecidas del ciclón, sale limpio al exterior por la tubería de salida. El agua se filtra y recicla en circuito cerrado, evitando su consumo excesivo.

Figura Nº13: Ciclones para el procesamiento de café CICLON ASPIRADOR PARA FRUTOS SECOS Y GRANOS 35

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Se conoce en general el hecho de que, en el proceso de recogida de algunos frutos de reducido tamaño, y especialmente aquellos que poseen piel o vaina, resulta realmente muy difícil realizar la eliminación de todas las impurezas, restos de pieles, polvo, hojas secas, etc. Para esto se propone el empleo del ciclón aspirador compuesto por una tolva preparada para recibir los frutos y/o las legumbres que van a ser objeto de tratamiento, a cuya salida dispone un vibrador de intensidad regulable dependiendo de cada fruto en particular. De modo que, el aspirador los separa en razón de su peso o densidad respecto a los materiales de desecho o impurezas.

X.

CONCLUSION

 Se conoció el funcionamiento y las aplicaciones de los ciclones en la industria alimentaria  La importancia del ciclón en la industria molinera radica en su capacidad de reducir las pérdidas de partículas muy fina.

XI.

BIBLIOGRAFIA

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