Diapositiva 1

DIVISIÓN DE
SÓLIDOS
Dra. Mireia Oliva i Herrera
DIVISIÓN DE SÓLIDOS
pulverización
fragmentar un sólido
unidades de menor tamaño
aumentar la superficie específica
AUMENTO DE SUPERFICIE ESPECÍFICA para:
Facilitar
Aumentar
Aumentar
Facilitar
Facilitar
Mejorar
Mejorar
el procesamiento eficiente de los sólidos
la dispersión del sólido en un líquido.
la velocidad de disolución en un líquido
la reacción química entre productos
un proceso extractivo.
la biodisponibilidad del producto.
la capacidad cubriente
„
„
Influencia de las propiedades del material en
la reducción de tamaño
Propagación de las grietas y resistencia
tensiones localizadas
deformaciones
propagación de las grietas
Las grietas se extienden a través de las regiones del
material
que
presentan
las
imperfecciones
o
discontinuidades más importantes.
El multiplicador de tensión puede calcularse a partir
de la ecuación Inglis:
σK=1+2(L/2r)
σK ▶ multiplicador de la tensión media en un material
alrededor de una grieta,
L ▶ longitud de la grieta y
r ▶ radio de la curva del extremo de la grieta.
Rotura por coalescencia de microcavidades
Una vez formada la grieta, su extremo se
propaga a una velocidad de alrededor del 70%
de la velocidad de las ondas superficiales en
en el sólido.
Esta propagación de la grieta es tan rápida
que el exceso de energía procedente de la
relajación de la deformación se disipa en el
material
y
se
concentra
en
otras
discontinuidades, facilitando la propagación de
nuevas grietas.
De esta forma se produce unas cascada de
efectos que provoca la fractura de manera
casi instantánea.
Muesca inicial
v = 0,71 vs
Nuevas grietas
En la imagen se observa la propagación de una
fractura típica (el trazo vertical discontinuo
representa la muesca inicial). Aparece siempre una
primera zona de propagación recta, en el que la
punta de la fractura se acelera hasta que la
velocidad supera un cierto umbral igual a 0,71
veces la velocidad de las ondas superficiales en el
medio. Este valor umbral depende de las
propiedades elásticas del medio.
Cuando se alcanza dicho umbral se produce una
primera
ramificación.
Con
posterioridad
la
interacción entre las diferentes ramas de la
fractura da lugar a una compleja dinámica difícil de
caracterizar.
No todos los materiales tienen este tipo de conducta quebradiza y
algunos resisten tensiones mucho mayores sin fracturarse.
Sólidos plásticos
Punto de
fractura
Presión
Presión
Sólidos elásticos
Deformación plástica
Punto de
fractura
Límite elástico
Deformación elástica
Deformación
Deformación elástica
Deformación
FLUJO PLÁSTICO
INHIBICIÓN GRIETAS
DESLIZAMIENTO MOLECULAR
RELAJACIÓN ENERGÍA
PROPAGACIÓN DE GRIETAS
FUNCIÓN DE
FRAGILIDAD O PLASTICIDAD DEL MATERIAL
Estos materiales más resistentes pueden
experimentar un flujo plástico, que permite la
relajación de la energía de deformación sin
extensión de las grietas.
Cuando existe un flujo plástico, los átomos o
las moléculas se deslizan entre ellos, proceso
para el que se requiere energía.
Por tanto, la facilidad para la pulverización
depende de la fragilidad o plasticidad del
material y de su relación con el inicio y
propagación de las grietas
Dureza de la superficie
La reducción de tamaño puede depender
también de la dureza de la superficie.
Los materiales más duros son más difíciles de
romper y pueden producir un desgaste abrasivo
de las partes metálicas trituradoras.
Los materiales con un gran componente
elástico, son extremadamente blandos y, al
mismo tiempo, su tamaño es dificil de reducir;
pueden absorber grandes cantidades de energía
mediante la deformación elástica y plástica sin
que se produzcan ni propaguen grietas.
MATERIALES CON SUPERFICIE DURA
DIFICULTAD
PULVERIZACIÓN
DESGASTE
ABRASIVO MOLINOS
MATERIALES ELÁSTICOS
RESISTEN LA PULVERIZACIÓN
DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y PLÁSTICA
ABSORCIÓN ENERGÍA SIN PRODUCCIÓN DE GRIETAS
En materiales que resisten a la pulverización a
temperatura ambiente, el tamaño puede
reducirse haciendo descender la temperatura
por debajo del punto de transición a vidrio del
material. En ese momento, el material sufre
una transición desde el comportamiento
plástico a otro frágil que facilita la
propagación de las grietas.
Otro factor que influye en el proceso de
reducción de tamaño es la humedad del
material. En general, un contenido de humedad
inferior al 5% resulta adecuado para la
pulverización en seco, mientras que si es
superior al 5% deberá procederse a una
pulverización húmeda.
MATERIALES RESISTENTES A LA PULVERIZACIÓN
A TEMPERATURA AMBIENTE
DESCENSO TEMPERATURA
POR DEBAJO DE TRANSICIÓN VITREA
PLASTICIDAD
FRAGILIDAD
FACILITACIÓN DE LA PROPAGACIÓN DE GRIETAS
Balance energético de la pulverización
Una cantidad muy pequeña de la energía que
interviene en el proceso de conminutación se
destina realmente a la reducción de tamaño.
Representa el 2% del consumo total de
energía, el resto se pierde en:
•deformación elástica de las partículas
•deformación plástica de las partículas sin fractura
•deformación necesaria para que se inicien las grietas
que producen las fracturas
•deformación de las partes metálicas de la máquina
•fricción entre las partículas
•fricción entre las partículas y la pared de la máquina
•calor, ruido y vibración.
Balance energético de la pulverización
Deformación elástica
ENERGÍA TOTAL DEL PROCESO
Deformación plástica
PULVERIZACIÓN
Deformación fractura
Fricción
Calor
2-5 % ENERGÍA TOTAL
Vibración
Es difícil cuantificar la energía a emplear en
una pulverización, pues deberá aplicarse
inicialmente la energía que servirá para
deformar el producto y a continuación la
energía adicional que servirá para romperlo.
De esta manera, se necesitará más energía
cuanto más elástico sea el producto, ya que
costará más de romper.
Además, deben aplicarse adicionalmente la
energía de fricción entre sólido-sólido y
entre sólido-aparato de división.
Para dividir sólidos debe emplearse y gastarse
energía en cantidad siempre inversamente
proporcional al tamaño de la partícula final
obtenida.
Para cuantificar la energía a emplear en dicho
proceso se puede usar la ecuación de
RITTINGER:
E = Kr (Sf – Si)
Siendo:
Kr la constante de Rittinger,
Sf la superficie específica de las partículas después de
dividir
Si la superficie específica de las partículas antes de
dividir.
Tambien se usa la ecuación de BOND :
E = Kb (1/Df – 1 /Di)
Siendo:
Kb la constante de Bond,
Df el diámetro de la partícula que se obtiene
después de dividir
Di el diámetro de partícula inicial antes de dividir.
Esta ecuación teórica se ajusta bastante bien a
aquellos procesos de pulverización en los que se
obtiene tamaños de partícula muy pequeños
(micronizaciones, por ejemplo).
Otra de las ecuaciones a tener en cuenta es la
ecuación de KicK:
E = Kk . log Di/Df
Siendo:
Kk la constante de Kick
Di el diámetro de partícula inicial antes de dividir
Df el diámetro de la partícula después de dividir
Di/Df es el coeficiente de reducción de tamaño
Esta ecuación es aplicable solamente en
pulverizaciones en las que se obtienen partículas
de tamaño grande.
CARACTERÍSTICAS A CONSIDERAR EN EL MATERIAL A DIVIDIR
Punto de fusión
Hábito cristalino
Abrasividad
Características
físicas del
material a dividir
Contenido acuoso
del sólido
Dureza y friabilidad
Estructura
de la partícula
CARACTERÍSTICAS A CONSIDERAR EN EL MATERIAL A
DIVIDIR
Para poder elegir adecuadamente el método de pulverización,
deben tenerse en cuenta las siguientes características
físicas:
- Punto de .fusión, ya que si es muy bajo deberán evitarse
sistemas de división que produzcan calor en exceso.
Abrasividad, ya que si el sólido es muy abrasivo puede
erosionar los elementos del molino por fricción o golpeo.
- Estructura de la partícula, ya que estructuras cristalinas
pueden dar lugar a exfoliación del producto en función de
los planos de cristalización.
- Hábito cristalino, que condicionará la dureza del producto y,
por tanto, el aparato a emplear para pulverizarlo.
- Dureza y friabilidad o capacidad de erosión del producto.
- Contenido acuoso del sólido, tanto en agua ligada como libre,
ya que un exceso de humedad puede dar lugar a la
formación de pastas.
CARACTERÍSTICAS A CONSIDERAR EN EL MATERIAL A DIVIDIR
Corrosividad
Oxidabilidad
Higroscopicidad
Características
quimicas del
material a dividir
Capacidad
de explosión
Inflamabilidad
Y las propiedades químicas siguientes:
— Corrosividad, dado que el grado de acidez o de alcalinidad del
sólido puede atacar el material que compone el molino.
— Oxidabilidad: productos fácilmente oxidables se pulverizarán
evitando su contacto con el aire (molinos herméticamente
cerrados).
— Higroscopicidad: los sólidos muy higroscópicos se pulverizan en
zonas o salas de humedad controlada.
— Capacidad de explosión, ya que deberán extremarse las
precauciones al trabajar aquellos productos que por
percusión o golpeo pueden dar lugar a explosiones.
— Inflamabilidad, ya que el golpeo y fricción que existe en todo
proceso de pulverización puede provocar un aumento de la
temperatura, que puede favorecer la inflamabilidad de
sustancias.
Tomado de ISBN 84-8174-728-9
Tomado de ISBN 84-8174-728-9
Tomado de ISBN 84-8174-728-9
División de sólidos
Alta velocidad
Baja velocidad
Producto sóido
Sin tamiz
Impacto
Bolas
Compresión
Rodillos
Fricción
Y
cizalla
Platos
Producto sólido
Con tamiz
Cizalla
Cuchillas
Dispersión
Sin tamiz
Impacto
Martillos
Sin tamiz
Impacto
Pernos
y
Aire/Gas
Impacto
y
cizalla
Muelas
Corindón
Metálicas
Molinos de mortero
Molturación
Mezcla
Fricción
MOLINO DE RODILLOS
„
„
Molino de rodillos
Está compuesto por dos rodillos, situados uno al
lado del otro, que actúan triturando por compresión.
Velocidad de giro ≅ 0,2 m/s
Tamaño de partícula ≅ 100 μm
Tomado de ISBN 84-8174-728-9
„ Uno de los rodillos está conectado al resto de la
máquina mediante un brazo extensible por muelle de
llanera que cede fácilmente si entre los rodillos cae
algún objeto muy duro que podría romperlos. La
distancia a que se sitúan los rodillos entre sí y que
determina el tamaño de partícula que se obtiene
después de dividir el sólido puede regularse.
„
La velocidad de giro es lenta, de alrededor de 0,2
m/s, siendo la principal ventaja de este sistema su
bajo coste (es un sistema muy económico). Como
inconveniente, cabe destacar la obtención de un
tamaño de partícula
heterogéneo.
>100
μm,
poco definido y muy
Molino mecánico de martillos o de batientes
Con este dispositivo se efectúa una pulverización a alta
velocidad (3.000-7.000 rpm.), obteniéndose partículas
uniformes de, aproximadamente, 50-100 micrómetros.
Molino mecánico de martillos
.
El aparato tiene aspecto circular y consta de un
tamiz con tamaño de orificio de 50-100 μcm que
envuelve un sistema de percusión compuesto por un
rotor con brazos (dos o más) que giran a gran
velocidad y cuyos extremos tienen forma de
martillo.
Estos brazos tienen dos sentidos de giro, según
interese cortar (extremo puntiagudo del martillo
empleado para dividir productos vegetales) o
pulverizar por golpeo (extremo plano del martillo).
Molino de batientes
Molino mecánico de pernos o de agujas
Constituido
por
dos
platos o discos con
salientes ordenadamente
dispuestos
en líneas
circulares; los discos se
disponen uno frente al
otro, de forma que los
salientes se disponen en
alternancia sin chocar
unos con otros
Molino de pernos
„
Estos
discos
pueden
girar
simultáneamente,
alcanzando una velocidad de 15000 rpm o bien sólo
gira uno de ellos (rotor) mientras el otro permanece
quieto (estátor), por lo que la velocidad de giro es
de 7000 rpm El producto a pulverizar entra en el
molino por su parte central y va golpeándose contra
las púas hasta conseguir el tamaño de partícula final,
que suele ser de 50 micrómetros.
„
Este
molino
puede
emplearse
para
pulverizar
sustancias termolábiles, si bien no es apto para la
pulverización de sólidos demasiado duros
Molino de cuchillas y
Molino de corte
Constituido
uno
o
diversos platos o discos
de
cuchillas
montados
sobre un eje central que
gira a 3000-5000 rpm
dentro de un tambor
cilíndrico que soporta los
elementos
estáticos
(cuchillas) que producen
el efecto cizalla (corte).
Es
muy
eficaz
para
materiales plásticos y
poco friables.
Los platos de cuchillas tambien pueden disponerse sobre
dos ejes paralelos de forma que queden intercalados.
Este tipo de molino puede montar elementos fijos para
favorecer el efecto cizalla.
Se obtiene un tamaño de partícula de 50-100 μm
Molino de discos o de platos
Debido
a
la
disposición
progresiva de los dientes de
los discos de molturación, se
realiza
primero
una
trituración previa del material
en el centro de los discos, y
luego una fina en el área
perimetral.
Gracias a su forma especial,
los discos pueden triturar
también muestras muy duras.
La trituración es progresiva
„
„
„
„
Molino de discos o de platos
Consta de dos platos, situados uno enfrente del
otro, uno giratorio (rotor) y el otro estático
(estátor). Suelen ser de corindón o algún otro
material abrasivo, presentando siempre ambos
una superficie estriada para acentuar el efecto
abrasivo, de fricción y cizalladura sobre el
producto a pulverizar.
La separación entre los discos es graduable, de
manera que pueden aproximarse entre sí lo que
sea necesario para obtener una buena
pulverización, pero siempre sin llegar a contactar
uno con otro para evitar su posible rotura.
La velocidad de giro del molino es lenta (30 rpm)
y las partículas que se obtienen son de tamaño
grueso (>100 μm) y poco homogéneas.
Molino de bolas
Bolas de Cromo
Bolas de pórfido
Material cerámico para molturación
„
„
„
Molino de bolas
También denominado molino de jarros,
consigue pulverizar sólidos de manera
homogénea y uniforme hasta un tamaño de
partícula de 10-50 micrómetros.
Está compuesto por un cilindro hueco de
tamaño variable en cuyo interior se sitúan
gran cantidad de bolas de tamaño y material
adecuados al material a pulverizar. Al girar el
cilindro, las bolas se desplazan hasta llegar un
momento en que caen sobre las demás y sobre
el producto, pulverizándolo por percusión y
fricción.
En este tipo de molino el producto debe cubrir todos
los espacios existentes entre las bolas y ocupar
además un volumen igual al 50% del total del
espacio mencionado; así, se evitará el deterioro de
las bolas por choque entre ellas.
También es importante calcular la velocidad de giro
que debe darse al cilindro, ya que no debe superar
la denominada velocidad crítica a partir de la cual
las bolas, por efecto de la fuerza centrífuga, no
caerán para pulverizar el producto, perdiendo así
su funcionalidad.
Esta velocidad crítica que no debe sobrepasarse
puede calcularse a partir de la ecuación de la fuerza
centrífuga:
Fc = m.ω2.r
siendo Fc la fuerza centrífuga, m la masa del cuerpo
(en este caso de las bolas), ω la velocidad angular y r
el radio del cilindro.
A partir de aquí, sustituyendo m, ω y r por sus
correspondientes equivalencias, puede llegarse a las
siguientes ecuaciones:
m = P/g
ω = 2π(n/60) (n = n° de revoluciones por minuto)
r = D/2 (diámetro en metros)
„
Fc = (P/g).4π2(n2/3600)(D/2)
Fc = (P/g). 2π2.(n2/3600).D = P2π2n2D/g.3600
Fc = P2π2n2D/g.3600
Como la velocidad crítica se alcanza cuando el peso de
las bolas (Pb) es igual a la fuerza centrífuga (Fc),
puede establecerse que
Fc = Pb2π2n2D/g.3600
y dividiendo todo por Pb quedará:
Fc/Pb = 1 = 2π2n2D/g.3600
g.3600 = 2π2n2D
n2 = g.3600/2π2D
n = (60/π).(g/ 2D)½
n = 42.3/D½ (D en metros)
siendo n el número de vueltas al que las bolas no
caerán, es decir, la velocidad crítica.
„
„
„
„
Al tratarse de un molino de cierre hermético (el
producto queda en el interior del cilindro sin
contacto con el exterior), es adecuada para la
pulverización de sustancias irritantes y/o tóxicas.
Las substancias fácilmente oxidables o alterables
en contacto con la atmósfera pueden pulverizarse
en este molino eliminando el aire del interior
haciendo el vacío o drenándolo con una atmósfera
inerte de nitrógeno o argón.
La molturación por percusión y fricción es muy
energética, por lo que no es adecuada para
substancias termolábiles.
El tamaño de partícula que se obtiene es del orden
de 10-50 μm.
Molino coloidal
Está constituido por dos piezas (normalmente de
corindón o acero de superficie lisa o estriada) que
encajan perfectamente una sobre otra teniendo la que
queda en la parte inferior movimiento giratorio (rotor)
y quedando estática la otra (estátor).
MOLINO COLOIDAL – Muelas metálicas cónica estriadas
MOLINO COLOIDAL – Muelas de corindón
La velocidad de giro del rotor puede ir de
4.000 a 30.000 rpm., obteniéndose tamaños
de partícula de 1 a 10 μm, según interese.
La homogeneidad de tamaño que se consigue
con este molino es tan grande, que se emplea
para homogeneizar suspensiones (pulverización
de la fase interna sólida) y emulsiones
(disminución tamaño gotita fase interna).
El estátor puede acercarse más o menos al
rotor: cuanto más próximas estén ambas
piezas más pulverización habrá; es importante
que nunca lleguen a contactar una con otra, ya
que podrían romperse.
El producto se introduce por la parte superior
del molino, es pulverizado y homogeneizado en la
parte central y se recoge por la parte inferior
lateral.
El
molino
debe
tener
un
sistema
de
refrigeración (con agua fría circulante, por
ejemplo) para evitar su calentamiento, que se
produce por el efecto de abrasión y fricción de
las dos piezas del molino y que podría afectar a
la integridad de las mismas.
En realidad, no es un molino, pues no pulveriza
ni por percusión ni por fricción, sino que
desmenuza
las
partículas
por
cizalladura
hidráulica (con intermediario líquido).
Molino neumático o micronizador
La pulverización en los micronizadores se logra
por impacto de las partículas entre sí y
contra las paredes del aparato impulsadas por
un chorro de aire a alta presión
Es el producto el que golpea, sin elementos
mecánicos que lo golpee.
El propio chorro de aire actua como
refrigerante
De esta manera, el aparato no tiene
posibilidad de calentarse, pudiéndose emplear
para la micronización de sólidos termolábiles.
El aire entra en el molino con una velocidad
aproximada de 400 m/s; parte de este aire
pasa a través de un sistema de rendijas que lo
dirigen hacia el interior del molino, mientras que
otra parte pasa por un conducto estrecho (tubo
efecto Venturi) adquiriendo una gran velocidad y
presión; este conducto desemboca en la entrada
del producto a pulverizar, con lo que lo impele
con fuerza hacia el interior del recinto.
De esta forma, el sólido se golpea entre sí y
con las paredes del aparato.
Las partículas más finas son las primeras en
alcanzar el orificio de salida del producto, al
ser las que van más cercanas (por su menor
peso) a la pared interna del micronizador.
Las partículas de mayor tamaño giran
golpeándose con las paredes más externas del
aparato, hasta que quedan desmenuzadas y
pueden ser succionadas hacia el orificio de
salida, orificio que desemboca en un
recipiente denominado ciclón, en donde el
aire va perdiendo fuerza y las partículas
sedimentan en el fondo del recipiente.
Esta máquina cuenta con una poderosa fuerza
de arrastre, incluso con puntas de carga,
haciendo la molienda especialmente efectiva.
Gracias a la extrema rapidez con que se realiza
la molienda (6000-18000 rpm), y el sistema de
dos etapas (rotor-tamiz anular), el material es
molido muy cuidadosamente.
Los materiales blandos y elásticos, muy difíciles
de triturar a temperatura ambiente, pueden
fragilizarse previamente con nitrógeno líquido o
hielo seco antes de ser introducidos en el
molino.
Granulometría de entrada: < 10 mm
Granulometría de salida: < 40 μm
En el molino ultracentrífugo la trituración se
realiza por efectos de impacto y cizalladura
entre el rotor y el tamiz anular estacionario.
El material alimentado pasa por la tolva y cae
sobre el rotor, es proyectado radialmente hacia
afuera por la aceleración centrífuga y choca
con los dientes cuneiformes del rotor que giran
a gran velocidad, los cuales realizan la
trituración gruesa.
La trituración fina se realiza entre el rotor y el
tamiz.
El material triturado es recogido en el
recipiente colector que rodea a la cámara de
molienda.
TIPO DE
MOLINO
Rodillos
Martillos
Puas o agujas
MECANISMO DE
PULVERIZACIÓN
TAMAÑO DE
PARTÍCULA (μm)
MATERIALES
ADECUADOS
MATERIALES
NO ADECUADOS
Compresión
> 100
Blandos
Friables
Abrasivos
Fibrosos
50-100
Friables
No abrasivos o
poco abrasivos
Fibrosos
Adhesivos
Bajo punto de fusión
50
Friables
No abrasivos o
poco abrasivos
Impacto+fricción
Impacto+fricción
Fibrosos
Adhesivos
Abrasivos
Cuchillas
Cizalladura
50-100
Fibrosos
Duros
Friables
Abrasivos
Bolas
Impacto+fricción
10-50
Moderadamente
duros
Abrasivos
Fibrosos
Blandos
Molino de platos
Fricción+cizalladura
>100
Muy duros
Friables
Fibrosos
Blandos
Molino coloidal
Fricción+cizalladura
1-10
Suspensiones
Productos solubles
0,5-5
Moderadamente
duros
Friables
Fibrosos
Adhesivos
Micronizadores
Impacto+fricción