Avances en aglomeración y compactación de partículas

A AV VA AN NC CE ES S E EN N A AG GL LO OM ME ER RA AC CI IÓ ÓN N Y Y C CO OM MP PA AC CT TA AC CI IÓ ÓN N D DE E P PA AR RT TÍ ÍC CU UL LA AS S PABLO GARCÍA TRIÑANES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Santiago de Compostela, Mayo de 2010 Memoria presentada por: PABLO GARCÍA TRIÑANES para optar al grado de Doctor por la Universidad de Santiago de Compostela DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Santiago de Compostela, Mayo de 2010 A AV VA AN NC CE ES S E EN N A AG GL LO OM ME ER RA AC CI IÓ ÓN N Y Y C CO OM MP PA AC CT TA AC CI IÓ ÓN N D DE E P PA AR RT TÍ ÍC CU UL LA AS S En memoria de mis abuelos, por su cariño. A mis padres, por su entrega incondicional y tesón. A mis ejemplares hermanos: Maise y Alberto. A A AG G GR R RA A AD D DE E EC C CI IIM M MI IIE E EN N NT T TO O OS S S En primer lugar me gustaría agradecerle a mi maestro y director Profesor D. Manuel Bao Iglesias su paciencia y empeño en transmitirme la fascinación por esta profesión. Gracias por su llamada en Marzo del 2002 e invitarme a colaborar en sus trabajos y posteriormente, en Septiembre de 2004, confiarme el proyecto que da origen a esta Tesis Doctoral. Por encima de todos sus logros profesionales he admirado siempre su trato afable, su disposición y su capacidad. En segundo lugar, al Profesor D. Juan José Casares Long por ser el verdadero catalizador de la segunda etapa de esta tesis. Por sus consejos, su firmeza en la orientación como director, su honradez y su estima de la que siempre guardaré un cariñoso recuerdo. Al personal de CALFENSA PROYECTOS S.L., con D. Adalberto Álvarez y D. José Ramón Panete a la cabeza, por su confianza, su financiación económica y por brindarme la posibilidad de aprender cuantiosamente a su lado. Al Profesor D. Francisco Guitián Rivera, Director del Instituto de Cerámica de Galicia, por su ayuda desinteresada y sus continuas sugerencias. También a sus colaboradores: Gabriel Pereiro, Alfredo y Rubén por su contribución en la faceta técnica. A mis compañeros de la ETSE (…) y a Eva por saber poner la guinda al pastel. A D. Arturo Martínez (Mecanotaf) por sus sabios consejos y su rigor profesional en el diseño de equipos y el tratamiento de sólidos pulverizados. Al Profesor Pierre Guigon por invitarme a su grupo de Investigación en Compiégne haciéndome sentir pronto como uno más y, en particular, al Dr. Khashayar Saleh y al Dr. Martin Morgeneyer por su generosidad en las mediaciones durante mis estancias. A los profesores de Ingeniería Química; de manera especial a Francisco Chenlo, Ramón Moreira, Isabel Vidal, J. A. Souto y Ma José Nuñez, por su cortesía y amable trato. A Gracia, de la Biblioteca, por su amable ayuda a la hora de encontrar las referencias bibliográficas más rebeldes. Por último, quisiera puntualizar, que de las posibles omisiones involuntarias en este apartado soy el único responsable. Esta memoria se concluyó en el mes de Noviembre de 2009 siendo entregada al Departamento de Ingeniería Química en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ETSE) y posteriormente al Centro de Postgrado, Tercer Ciclo y Formación Continua (CPTF) de la Universidad de Santiago de Compostela, que autorizó su defensa el día 7 de Mayo de 2010 ante el tribunal constituido por: - Dr. Felipe Macías Vázquez. Catedrático de Edafología y Química Agrícola de la Universidad de Santiago de Compostela. - Dr. Julio Luís Bueno de las Heras. Catedrático del Departamento de Ingeniería Química y Tecnología Ambiental. Universidad de Oviedo. - Dr. Martin Morgeneyer. Profesor del Departamento de Procesos. Université de Technologie de Compiègne (Francia) - Dr. Amândio Luis Teixeira Pinto. Profesor del Departamento de Ingeniería Civil. UTAD (Portugal) - Dr. Gabriel Pereiro López. Investigador Doctor del Instituto de Cerámica de Galicia (USC) CALIFICACIÓN: Sobresaliente cum Laude UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA DEPARTAMENTO DE ENXEÑARÍA QUÍMICA D. Manuel Bao Iglesias y D. Juan José Casares Long, Catedráticos de Universidade, da área de Enxeñaría Química, INFORMAN: Que a presente memoria titulada “AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS” que, para optar ao Grao de Doutor en Enxeñería Química e Ambiental, presenta D. Pablo García Triñanes, foi realizada baixo a nosa inmediata dirección no Departamento de Enxeñaría Química da Universidade de Santiago de Compostela. E para que así conste, asinan o presente informe en Santiago de Compostela, Novembro de 2009. P.A. P.A. D. Manuel Bao Iglesias D. Juan José Casares Long Conforme o alumno: P.A. D. Pablo García Triñanes ÍNDICE GENERAL vi AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS p. 278 p. 294 p. 299 p. 314 A-I ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS A-II LISTA DE FIGURAS A-III LISTA DE TABLAS CAPÍTULO 7: DISCUSIÓN DE RESULTADOS CAPÍTULO 8: CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS SUMMARY AND CONCLUSIONS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 1 This résumé is intended to reflect, in a broad way, the results of the work covered in full in the rest of the dissertation, and it is organized as a summary of each chapter as well as it represents a review of the overall themes, which pertain to the field of particle agglomeration technologies. The most common reason for size enlargement by agglomeration is, as the term implies, the desire or need to obtain larger particle dimensions. As a further result of this physical modification of the original particulate solids, it is found that the characteristics of the new product are changed, improving the initial ones. Some important advantages of agglomerated products are no segregation of co-agglomerated materials, fewer losses by spreading, improve storage and handling characteristics, reduce bulk volume and controlling final porosity or water solubility. To be more specific, the aim of this thesis comprises the study of three pulverized carbonates of different nature and physicochemical properties with a common objective: to increase their particle size in order to form a granulated product. The research work deals basically with the following issues: Characterization of the three different carbonates Investigation of the flow properties Behaviour under uniaxial pressure Analysis of binary mixtures Evaluation of the mechanical resistance Pilot scale roll-press experiments SUMMARY AND CONCLUSIONS SUMMARY AND CONCLUSIONS 2 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS In Chapter 2, agglomeration techniques are described from a technological point of view focusing on key aspects and process engineering concepts, associated with each methodology. Based on the underlying theory, the analysis of the available agglomeration methods revealed that powder compaction is the most suitable procedure to achieve stable granules with the three carbonates studied, because of the simplicity of the equipment implied and the absence of drying stages or binder addition. The benefits of agglomeration techniques are also described and the conflictive aspects inherent to this kind of processes are highlighted. The bonding mechanisms are described with special emphasis in two alternatives: wet granulation and dry pressure compaction technologies describing the main factors that influence the success of the particle size enlargement process. In relation with the granulation techniques, the distribution of the binder drops along the surface of the pulverized material and its penetration inside the powder bed represents a key factor, as well as, the growth stages because of their direct impact on relevant properties of the final granule such as porosity, size, structure and resistance. In contrast, in the compaction methods the response of the powder bed when acting external pressure along it, and the evolution of the density, depends basically on the packing properties and on the friction forces influenced by its particle size distribution, particle shape and the air contained inside the micropores. SUMMARY AND CONCLUSIONS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 3 In accordance with this, it is worth emphasizing that the permeability of the powder determines the aptitude to release the air through the formed structure as consequence of the lower porosity. Some properties which can influence a higher compact resistance are: a low elastic deformation, a high plastic deformation or a high surface roughness, and this resistance is dependent of the deformation degree that takes place at the contact points between particles. Other alternative agglomeration methods are also incorporated, in order to give a panoramic view of this industrial discipline, and some process engineering considerations are noted as the stages of binder addition, mixing equipment, recycling lines, drying, post-treatment units, etc. which make this methods attractive from the economical point of view. Chapter 3 refers to the characterization of the samples of the three carbonates (CA, MG and RE), commercially available as soil amendments, and the analysis of their physical and chemical properties was carried out using appropriate techniques. The objective here is to increase the understanding of the relationship between the physical properties and the chemical composition, in order to determine and optimize how they affect the compression process and, in consequence, the mechanical behaviour of the compacts formed. Measuring the powder samples by Laser Diffraction, the particle size distribution curves were established and the most relevant result obtained shows a narrowed curve for the magnesium carbonate MG and a lower dispersion coefficient. (Figures 3.5 and 3.6) SUMMARY AND CONCLUSIONS 4 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS On the other side, Scanning Electronic Microscopy (SEM) gives morphological information about the powder’s surface and it allows a precise study of the microstructure of the three carbonates. The most important feature of these experiments was finding that calcium carbonate from marine origin, (RE), is formed by needle-shaped particles whilst the other carbonates are formed by granular particles (CA and MG). (Figures 3.15, 3.16 and 3.17) These differences in the morphology of the particles affect directly the contact area between them, with this fact contributing to different contact forces and consequently diverse behaviour under compaction, and in consequence a different mechanical resistance of the compacts formed. The experimental data tend to confirm the idea that the influence of particle shape is a dominant effect in the compaction process, particularly the morphology of RE determines its compression rate when acting low pressures, being conditioned as well by its higher initial porosity. This carbonate presents also a higher brittle character than the other carbonates studied, and it presents a higher deformation and better packing capacity which influence a higher volume reduction. In order to elucidate the crystalline species present in each carbonate, X-Ray Diffraction was used, comparing the obtained diffraction data of the powders against an existing database. With respect to the chemical composition of each carbonate, the percentage of Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O and SiO2 was determined by atomic absorption spectroscopy. (Table 3.8) SUMMARY AND CONCLUSIONS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 5 The results confirm the higher ratio of MgCO3 present in the MG sample as magnesite such a considerably higher percentage of MgO, which undoubtedly influence its behaviour. It is worth mentioning here the predominance of calcite as constituent of the carbonate RE as well as the presence of calcite, quartz, dolomite and muscovite as constituents of the calcium carbonate CA. Powder compressibility is a key to flow behaviour, especially in volumeconstrained flows. Under small loads, the particles may be pushed into the void spaces, causing consolidation which may progress until the individual void size is less than the particle size. For the determination of compressibility different parameters were used: calculation of the tap density, Hausner ratio, Carr's index and estimation of Kawakita model parameters. To complete the physical characterization, it was also measured surface area, porosity, pycnometric density, bulk density, and permeability of the samples. Chapter 4 deals with the investigation of the flow properties of the three carbonates, and its dependence on the characterization parameters as well as its influence on the agglomeration process. The work done compares the flow factors for each carbonate indentifying their behaviour and relating the results obtained with the findings in the fluidization tests, the shear cell tests and with the FT4 Freeman Rheometer tests. These tests series allow the simulation of the operations of handling and processing of these materials and the estimation of parameters in order to compare their flow properties. SUMMARY AND CONCLUSIONS 6 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Shear tests were carried out using a Schulze Ring Shear Tester, providing data in relation with cohesive forces, friction forces and how they affect the flow of each carbonate powder. From the results obtained, it should be noted that magnesium carbonate (MG) presents better flow properties relative to the other calcium carbonates mainly due the physical factors of its individual particles (lower particle size, morphology) and due to lower cohesive forces. (Tables 4.1, 4.3 and 4.9) After analyzing the most significant differences that determine the behaviour of the bulk materials, along Chapter 5, a thorough study based on the response when the carbonates are subject to uniaxial compression is carried out. An examination from the perspective of theoretical models is presented with the intention to explain the behaviour of each carbonate and reflecting the dependence with physical indicators. Moreover, the comparison of the evolution of variables like porosity, apparent volume or relative density with pressure variations, provide valuable information and reveal the differences among the three carbonates. The yield pressure, Py, was determined over ranges of applied pressure from the linear portion of the Heckel plots which gave the best fit for the data points by using suitable software since the reciprocal of the slope can be regarded as numerically equal to the elastic limit and flow stress of a material. (Figure 5.13) A lower yield pressure indicates greater plasticity of the calcium carbonate CA. As expected, the values obtained show a high hardness and a fragile behaviour characteristic of their compaction behaviour of brittle fracture. SUMMARY AND CONCLUSIONS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 7 Kawakita plots for the carbonate powders gave a linear relationship. The constants indicate the behaviour of the powders from the bulk density state to higher density states (flowability and cohesiveness). (Figure 5.15) Additionally, the Cooper-Eaton model has been used; it assumes that the densification process takes place in two different stages, achieving the assignment of somehow a physical significance to the constant parameters of this equation. (Figure 5.17) By analyzing data from the force-displacement curves, the values of specific energies involved in the compaction process can be extracted, to estimate in a practical way the net compression work necessary to construct compacts from CA, MG and RE. (Figures 5.22, 5.24 and 5.27) In connection with this matter, the net compression work necessary to construct compacts using samples of the carbonates studied in this thesis, shows that it varies depending on the compaction pressure applied, but in all cases is greater for magnesium carbonate. The investigation of the behaviour of binary mixtures of the three carbonates is undertaken using different formulations, varying the content of each. The main purpose is to verify the hypothesis based on the synergy effects on their physical and chemical characteristics with the aim of improving the behaviour in compaction. The densification behaviour and the compaction properties are strongly influenced by the characteristics of the mixture since the ability of formulated powders to form satisfactory compacts depends on their plastic deformation and on their elastic recovery during decompression. SUMMARY AND CONCLUSIONS 8 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Also, the three carbonate powders are analyzed using the model of Kawakita and the net compression work necessary to construct the tables as well as the elastic work involved, is determined. It is observed the non linear dependence of the parameters a and 1/b for the mixture MG-RE, and the reduction in the net compression work necessary to construct the tablets when the proportion of RE is increased. (Table 5.9) The possibility of incorporating calcium sulphate hemihydrate as an additive to enhance the compressibility of the carbonates is evaluated, with mixtures containing fifteen per cent by weight, and subjecting duplicates of each sample to the same protocol. (Table 5.12) It is established that this binder can act as a lubricant reducing the friction between the individual particles of the carbonates and increasing the effectiveness of compaction, as is clearly deduced from the analysis of the Kawakita parameters and the corresponding force-displacement profiles. Finally, a detailed evaluation of the mechanical resistance of the compacts prepared is carried out using a tester developed in-house, Figure 5.50, as a comparative method. This resistance depends on the number and hardness of the bonds created between the particles during the consolidation phase. The force required to break a compact and the abrasion resistance are a measure of the cohesion between particles. Generally, both variables take higher values with increasing compact density, as a function of pressure reached. The device used for the measurements provides information about the strength of the bonds formed, and about the structure of the compacts and it is a variant of the classical radial or axial compression methods. SUMMARY AND CONCLUSIONS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 9 Once the compact is located exactly in the center of the void space, a piston is gradually forced to descend by the uniaxial press, and readings of the force exerted at a constant speed of 1 mm/min are made by the data collection system. This test is particularly appropriate because of the structure of the specimens employed, and provides the real value of the resistance in the geometric center of the compacts, as well as being fast, simple and reproducible. The correlation between the mechanical resistance, determined by the proposed method, and the net compression work necessary for their elaboration, indicates that the calcium carbonate CA is obtained with a higher final compact strength, requiring a lower specific energy on its development. However, this tendency is not so clearly reflected for the carbonates MG and RE because their preparation requires a higher specific energy reaching lower values of mechanical strength. In the particular case of marine-origin carbonate RE, it is observed some degree of fragmentation of the individual particles due to the brittle nature of this material and its peculiar morphology; a result corroborated when analyzing the particle size results. Observation of the micrographs obtained by electron microscopy, of the fracture surfaces of the compacts constructed at the highest level of compressive pressure, show the predominantly intergranular fracture character in CA and MG. However, for the carbonate RE, it can be observed individual sheet fractures. In Chapter 6 the experiments carried out in a pilot scale roll press (Tables 6.3 - 6.7) are described, in order to verify the results obtained in the preceding chapters. C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 1 1: : Justificación y objetivos El contenido de este capítulo describe los objetivos generales del trabajo y su justificación. Se hace además una descripción del contenido de cada capítulo de este trabajo y un breve resumen del mismo. 1.1 JUSTIFICACIÓN 21 1.2 OBJETIVOS 27 1.3 TABLA DE CONTENIDOS 28 C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 1 1: : J JU US ST TI IF FI IC CA AC CI IÓ ÓN N Y Y O OB BJ JE ET TI IV VO OS S Capítulo 1 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 21 1 1. .1 1. . J JU US ST TI IF FI IC CA AC CI IÓ ÓN N La presente tesis doctoral abarca el estudio de 3 carbonatos pulverizados de tamaño de partícula inferior a 100 μm de distinta naturaleza y propiedades fisicoquímicas, con un objetivo principal común: conseguir un aumento del tamaño de partícula para conformar un producto granulado. La temática de la aglomeración se aborda desde el punto de vista tecnológico para describir los fundamentos de los procesos más empleados en las operaciones de aumento de tamaño de partícula así como el estudio de las técnicas de caracterización de materiales pulverizados, el estudio de las propiedades de flujo y los ensayos de compactación que permiten obtener información acerca de las condiciones de operación óptimas para obtener un granulado resistente y con la porosidad necesaria para su idónea aplicación. Este trabajo surge como consecuencia de estudios previos orientados al estudio de mercado de fertilizantes y enmiendas para suelos agrícolas. La información y conclusiones recogidas en este trabajo son fruto de ensayos y estudios de laboratorio y planta piloto que pretenden cubrir la falta de información existente en el plano científico sobre la comprensión de los mecanismos de aglomeración de materiales sólidos pulverizados y el efecto de ciertos parámetros en la resistencia final de los compactos obtenidos. En el mercado de los minerales industriales, se conoce por carbonato cálcico al producto obtenido por molienda fina o micronización de calizas altamente puras, por lo general con más del 98 % de contenido en CaCO3 y un tamaño de grano inferior a 45 mm. Se identifica por GCC (ground calcium carbonate), en contraposición con el carbonato cálcico sintético, o PCC (precipitated calcium carbonate). Capítulo 1 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS 22 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Las aplicaciones industriales del GCC son muy numerosas. Se utiliza como carga para papel (en sustitución del caolín) y plásticos (mejora la velocidad de extrusión del PVC y sus propiedades mecánicas), en la industria química básica, la industria de cementos, de pinturas, adhesivos, vidrio, cerámica, cosmética y en la industria farmacéutica. En las industrias agropecuarias se utiliza para alimentación animal. Los productos industriales de GCC son casi tan variados como sus aplicaciones y el tamaño de grano es determinante en el precio. El carbonato cálcico (material CA) que será objeto de estudio es un producto comercial de baja granulometría utilizado como enmienda de suelos agrícolas que se separa del empleado como materia prima de la industria de cementos. El carbonato cálcico reacciona para formar óxido de calcio y dióxido de carbono (a unos 900ºC) y el óxido de calcio y los silicatos reaccionan para formar diy trisilicatos de calcio (a temperaturas entre 900 y 1500ºC). Las reacciones que producen aluminato tricálcico y aluminoferrita tetracálcica ocurren en un grado inferior. La variación en las proporciones de estos cuatro componentes (disilicato cálcico, trisilicato cálcico, aluminato tricálcico y aluminoferrita tetracálcica) determinan las propiedades del cemento resultante (Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones, 2006). Galicia, debido a su clima húmedo, y la presencia de materiales geológicos de carácter ácido con predominio de sistemas abiertos, posee suelos con bajos valores de pH. Como consecuencia, se producen distintos limitantes a nivel de fertilidad, de los cuales el más importante es el predominio del aluminio, que ocupa la mayor parte de las posiciones de intercambio catiónico del suelo. Este problema se puede solucionar a través del encalado, ya que a pH mayor de 5 el aluminio precipita. Un suelo es considerado ácido cuando su pH, medido en relación al KCl, es menor de 4,5 (García-Rodeja y Macías, 1984). Capítulo 1 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 23 El encalado es la técnica más antigua y conocida para realizar la corrección de la acidez del suelo y consiste en agregar enmiendas calcáreas como correctores mediante su pulverización directa sobre el terreno (Mosquera, 2007). Las ventajas de la aplicación de caliza al suelo son principalmente:  Corrector de pH mejorando la producción de cultivos y la asimilación de fertilizantes.  Mejora de la estructura del suelo.  Aporte de calcio natural y asimilable. La efectividad de la caliza agrícola depende de su contenido en calcio, su valor neutralizante, su tamaño de partícula y su superficie específica (Finck, 1988). Siendo más reactiva la caliza pulverizada, presenta limitaciones relativas al manejo, distribución y aplicación, así como, reticencias por parte de los consumidores principales (agricultores y ganaderos). La aglomeración mejora todos los puntos anteriores sin reducir sensiblemente la superficie, y por extensión la reactividad necesaria para los efectos que se persiguen. Un producto granulado favorecería la mecanización en la aplicación directa al suelo así como las propiedades de flujo y transporte, la formación de mezclas no segregables y una mejor distribución y disponibilidad. Otro producto que se comercializa y es de amplio interés es la caliza magnesiana (material MG). La magnesita mineral se calcina a una temperatura de 1.000 ºC obteniéndose la magnesita cáustica (MgO) que posee una alta biodisponibilidad debido a su estructura macrocristalina. Capítulo 1 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS 24 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Todos los suelos contienen cationes calcio (Ca+2) y magnesio (Mg+2) procedentes de las posiciones de intercambio negativas de arcillas y materia orgánica. El calcio y el magnesio son nutrientes esenciales de las plantas, y su forma iónica es asimilada por las plantas mediante un intercambio iónico y su cantidad y proporción relativa suelen reflejar la matriz del suelo y un adecuado balance entre ambos favorece enormemente la eficacia de la fertilización (Thompson, 1988). El tercer carbonato empleado en este estudio es el “carbonato cálcico de origen marino” procedente de una planta de tratamiento de residuos de la industria de conservas de mejillón (material RE). En Galicia, se producen anualmente, unos 298 millones de kilogramos de mejillón. El 65% de esta producción es procesado por el sector conservero y de congelados. Si se tiene en cuenta que la concha del bivalvo se corresponde con el 50% de la masa, se originan anualmente aproximadamente 96.000 t de residuo de concha (Anuario de Acuicultura-Xunta de Galicia, 2006). El residuo procedente de las industrias de procesado de mejillón se somete a un proceso de eliminación de la materia orgánica mediante su calcinación a 550 ºC. A una temperatura superior a 700 ºC se produce la descarbonatación con formación de CaO. Así pues, la concha puede actuar como corrector del pH en suelos ácidos si se encuentra debidamente pulverizada, debido a su estructura morfológica y a la alta reactividad del carbonato cálcico constituyente. Las propiedades mecánicas de los carbonatos juegan un papel decisivo en los procesos de aglomeración puesto que son un importante reto a la hora de diseñar y mejorar un producto granulado. Por lo tanto, la predicción de los mecanismos de granulación tiene un interés obvio en este tipo de tecnologías. El proceso de densificación que conduce a la obtención de un granulado transcurre a través de diferentes etapas que son función de las características de los materiales pulverizados y de su comportamiento mecánico por lo que, Capítulo 1 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 25 éstos y otros aspectos tecnológicos requieren ser analizados de manera rigurosa para predecir el comportamiento y seleccionar la tecnología de aglomeración más idónea. Otro factor importante a tener en cuenta en el comportamiento de los carbonatos a la hora de su manejo en operaciones de aglomeración son sus propiedades de flujo. Éstas se analizarán de manera comparativa así como los esfuerzos de cizalla entre las partículas de cada material y su comportamiento en condiciones de fluidización. Complementariamente se evaluará el comportamiento de los carbonatos en un equipo de experimentación mediante compresión entre rodillos a escala de planta piloto. La figura 1.1 muestra fotografías tomadas de los carbonatos pulverizados empleados en esta tesis. Figura 1.1. Carbonatos pulverizados empleados como materias primas. 2.1 CONSIDERACIONES GENERALES 35 2.2 MECANISMOS DE ENLACE 38 2.3 MÉTODOS DE AGLOMERACIÓN 2.3.1 MÉTODOS DE VOLTEO CON AGITACIÓN MECÁNICA 50 2.3.2 MÉTODOS DE COMPACTACIÓN MEDIANTE PRESIÓN 53 2.3.3 MÉTODOS ALTERNATIVOS 64 2.4 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE UN MÉTODO DE AGLOMERACIÓN 70 2.5 INGENIERÍA DE PROCESOS 72 C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 2 2: : T TE EC CN NO OL LO OG GÍ ÍA AS S D DE E A AG GL LO OM ME ER RA AC CI IÓ ÓN N D DE E P PA AR RT TÍ ÍC CU UL LA AS S Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 35 2 2. .1 1 C CO ON NS SI ID DE ER RA AC CI IO ON NE ES S G GE EN NE ER RA AL LE ES S El aumento del tamaño de partículas mediante procesos de aglomeración es un término genérico que engloba las operaciones unitarias relacionadas con la tecnología de materiales pulverizados, de medios granulares y la mecánica de sólidos. Se trata, por lo tanto, de una especialidad multidisciplinar de la ingeniería química que comprende los procesos y todas las actividades relacionadas con el manejo y operación, así como de las interacciones entre partículas a nivel microscópico y su desarrollo. El éxito de este tipo de procesos de aumento de tamaño de partícula, está basado en obtener aglomerados de mayor tamaño mediante la unión de entidades discretas por medio de fuerzas físicas de corto alcance ya sean entre unidades elementales o entre partículas y sustancias ligantes. Dichos ligantes son sustancias que se adhieren química o físicamente a las superficies del sólido y forman uniones entre partículas de material (Mort, 2005). TECNOLOGÍA HÚMEDA TECNOLOGÍA SECA Figura 2.1. Aspecto de gránulos formados mediante procesos de aglomeración de partículas a partir de partículas individuales. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 36 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Estrictamente, la aglomeración está considerada una operación unitaria de naturaleza diferente a la cristalización o a otros métodos orientados, de igual manera, a producir sólidos granulares como, por ejemplo, la solidificación mediante fundido (empleada en el campo cerámico y metalúrgico). A pesar de que en dichos procesos existe un crecimiento del tamaño de las partículas individuales, no existen fuerzas externas responsables de su adherencia. Más allá de favorecer las propiedades de manejo y procesado, los procesos de aglomeración se emplean también para modificar las propiedades superficiales y para lograr la formulación de mezclas de distintos componentes minimizando la segregación (York, 2003). Las ventajas derivadas del uso de las tecnologías de aumento de tamaño de partícula son las siguientes: ▪ Mejorar las propiedades de flujo y de transporte. ▪ Proveer dosis específicas de granulados farmacéuticos, alimentos para el ganado, agroquímicos, etc. ▪ Mejorar la salud e higiene en las operaciones de manejo de sólidos y minimización de pérdidas de materiales de baja granulometría. ▪ Aumentar la densidad de materiales a granel. ▪ Formar mezclas no segregables. ▪ Controlar la porosidad y la relación superficie/volumen (muy importante en el manejo de catalizadores metálicos). ▪ Controlar la solubilidad en agua (muy importante en productos fertilizantes). ▪ Mejorar las propiedades mecánicas y formación de nuevas estructuras (Industria cerámica y metalúrgica). ▪ Mejora del aspecto del producto en busca de nuevos mercados potenciales (Industria Alimentaria). Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 37 Existen diferentes tipos de tecnologías de aglomeración de partículas en función de los fundamentos empleados en las unidades de operación (compactación, granulación, extrusión, briqueteado, pelletización, encapsulación, sinterización) (Bohnet, 2004). Cuando la aglomeración se realiza fundamentalmente por agitación el proceso se conoce como granulación. Sin embargo si la fuerza impulsora es la presión, el proceso se define como compactación o extrusión según la intensidad de la presión aplicada (Perry, 2008). La aglomeración también puede llevarse a cabo mediante calor, lo que conlleva procesos de sinterización controlada del lecho de partículas. Si bien, algunas de estas técnicas son muy similares, reciben su nombre específico en función del tipo de industria que las emplean mayoritariamente. Algunas de las diversas aplicaciones y materias primas de este campo de trabajo multidisciplinar son la industria de pigmentos, catalizadores, absorbentes, fertilizantes, finos de carbón, pellets de madera, piensos, alimentos para animales, materiales cerámicos, pulvimetalúrgica, plásticos, minerales, fungicidas, insecticidas, productos farmacéuticos, industria alimentaria, detergentes, etc (Ennis, 1996). A pesar de la gran experiencia existente en este tipo de industrias, la mayor parte de las operaciones de control, escalado, y desarrollo de estos procesos industriales eran casi siempre basadas en la experiencia práctica hasta hace muy pocos años y ejecutadas como un arte en el seno de las industrias con escasa investigación científica al respecto y, en general, de carácter cualitativo (Litster, 2003). La investigación y el desarrollo en las operaciones de aglomeración y aumento de tamaño de partícula es, por lo tanto, un complejo campo de trabajo multidisciplinar que engloba una gran variedad de procesos según el ámbito de aplicación de los materiales empleados. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 38 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS El método de tanteo se utiliza de manera generalizada todavía para modificar las variables de proceso con el fin de mejorar las características de un gránulo final. Dicho método depende siempre de la elección de los experimentos y de la destreza del personal técnico. La aplicación de un riguroso diseño de experimentos permite un mejor aprovechamiento, puesto que permite obtener la influencia de las distintas variables de proceso y la interacción entre ellas (Lazic, 2004). Resulta más conveniente y efectivo el buscar la influencia de las variables de proceso en las propiedades del producto final granulado desde la óptica de la mecánica de sólidos. La elección apropiada de los equipos de aglomeración se basa fundamentalmente en los siguientes aspectos:  Las propiedades físicas y químicas de las materias primas.  Los requerimientos y el uso final de los productos deseados. 2 2. .2 2 M ME EC CA AN NI IS SM MO OS S D DE E E EN NL LA AC CE E Los procesos de aglomeración pueden clasificarse en función del mecanismo principal mediante el cual se unen las partículas formando el producto requerido. En esencia, el mecanismo de un proceso de aglomeración engloba aspectos físicos y químicos que causan la adhesión y el enlace entre las superficies de las partículas sólidas y resulta necesaria la comprensión de los fenómenos que tienen lugar a nivel microscópico para que la formulación y la aplicación de un modelo de estudio pueda validarse y permita su implantación a nivel macroscópico. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 39 Para que el proceso de adhesión sea efectivo, la intensidad de los enlaces formados entre las partículas primarias debe superar las fuerzas que perturban dicha formación. Desde el punto de vista cuantitativo, las fuerzas de adhesión alcanzan un valor determinado por la relación 2 ·kd a siendo k una medida de las fuerzas interparticulares y donde d representa el diámetro medio de dichas partículas, mientras que a representa la distancia entre ellas. Dado que las fuerzas contrarias a la aglomeración generalmente dependen del volumen, a modo de generalización, el cociente R entre las fuerzas de adhesión y estas fuerzas disruptivas viene expresado por: 2 3 ·kd a Rd (E.2.1) Por lo tanto, la ecuación anterior sirve para obtener una clasificación de los procesos de granulación en función de la medida de las fuerzas implicadas en el proceso de adhesión (Ennis, 1996). Cuando las partículas sólidas se encuentran en medio seco, k debería ser una medida de las interacciones mediante fuerzas de van der Waals o Culómbicas. Si estas interacciones no son suficientes como para inducir un proceso de aglomeración se debería aumentar la fuerza del enlace o reducir la distancia entre las partículas implicadas. Para este efecto existe la posibilidad de aplicar una presión o añadir agentes que actúen como adhesivos o ligantes. El tamaño de las partículas, la estructura del gránulo formado, la cantidad de humedad o la tensión superficial del líquido empleado como ligante determinan la magnitud de las fuerzas interparticulares. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 40 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Rumpf (1962) identificó 5 posibles mecanismos responsables de las fuerzas que operan durante proceso de aglomeración, y en ocasiones están involucrados dichos mecanismos alternativamente o en paralelo. Dicha clasificación incluye puentes sólidos I), fuerzas de adhesión por el empleo de ligantes viscosos II), puentes líquidos y fuerzas capilares III), fuerzas de atracción entre partículas sólidas IV) y enlaces de acoplamiento V). A continuación, se relatan dichos mecanismos y los subgrupos correspondientes de mayor a menor valor de k: I. Puentes sólidos - Enlaces minerales y puentes mediante sinterización. - Reacción química. - Fundido parcial. - Ligantes endurecedores. - Cristalización de sustancias disueltas. Los puentes sólidos derivan del material depositado entre las partículas aglomeradas. Su desarrollo se lleva a cabo mediante difusión de moléculas de una partícula a otra a través de fusión parcial en los puntos de contacto donde se desarrollan las presiones más elevadas, especialmente a altas temperaturas. También pueden formarse mediante reacción química, cristalización de sustancias disueltas, endurecimiento de ligantes o solidificación de componentes fundidos. Su fuerza depende del área de contacto, de la intensidad del puente formado por el material, siendo la porosidad de la estructura formada un factor determinante (Pietsch, 2002). Una representación de este tipo de enlace entre dos partículas puede verse en los apartados a) y b) de la Figura 2.2. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 41 Figura 2.2. Diferentes mecanismos de enlace en procesos de aglomeración: a) Puentes de sinterización parcial; b) Acción de ligantes endurecedores mediante reacción química; c) Acción de ligantes que forman puentes líquidos; d) Fuerzas capilares; e) Fuerzas moleculares y electrostáticas; f) Enlaces de acoplamiento. Fuente: Agglomeration Processes: Phenomena, Technologies, Equipment. Wolfgang Pietsch. Wiley-VCH. II. Fuerzas de adhesión y cohesión mediante el uso de ligantes viscosos - Ligantes de alta viscosidad. - Capas de adsorción. III. Fuerzas interfaciales y presión capilar en líquidos con movimiento libre - Puentes líquidos. - Fuerzas capilares en la superficie del agregado. En los puentes líquidos, la fuerza de adhesión entre las partículas es función de la tensión superficial del sistema líquido/aire (en el caso de una gota de líquido) o de la presión capilar. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 48 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS II. Deformación plástica La deformación plástica facilita la formación de regiones de contacto permanente entre partículas durante la compactación. En esta etapa las partículas se deforman con la finalidad de llenar los espacios huecos en el seno del lecho (Chandler, 2008). Se trata de una deformación permanente de las partículas y está controlada por la tensión aplicada. La magnitud de la deformación plástica depende del tiempo de contacto en compresión, y del tiempo durante el cual el material ha sido sometido a una fuerza máxima. III. Fragmentación Esta etapa tiene lugar principalmente en materiales frágiles. La reorganización de los fragmentos reducirá aún más el volumen del compacto. La distribución inicial de tamaño de partícula se modificará dependiendo del grado de fragmentación. IV. Consolidación Esta etapa determinará las propiedades finales del compacto. Diversos autores han puesto en evidencia que esta fase depende, en gran medida, del tamaño de las partículas implicadas en el proceso (Huffine, 1962; Radeka, 1995; Mattsson, 2000). La relativa importancia de estas etapas depende por lo tanto de las variables del proceso de compactación e inexcusablemente de las características del material. Dentro de las variables claves del proceso podemos incluir la geometría del molde empleado, la velocidad de aplicación de la fuerza de compresión, la presencia de agente lubricante o el modo en el que se produce el llenado del material original (Zavaliangos, 2003; Cunninggam, 2004; Michrafy, 2004; Khoey, 2008). Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 49 Cada material en polvo en función de sus propiedades físicas y químicas presentará una curva densidad-presión característica que representa la respuesta del lecho de partículas sólidas al ser sometido a una carga aplicada axialmente (Abhaykumar, 2006; Bocanegra-Bernal, 2002). Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 50 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 2 2. .3 3 M MÉ ÉT TO OD DO OS S D DE E A AG GL LO OM ME ER RA AC CI IÓ ÓN N 2 2. .3 3. .1 1 M MÉ ÉT TO OD DO OS S D DE E V VO OL LT TE EO O C CO ON N A AG GI IT TA AC CI IÓ ÓN N M ME EC CÁ ÁN NI IC CA A En un proceso de granulación por volteo con agitación mecánica se introducen en un equipo los reactivos (partículas, ligantes, aditivos, etc) para que sean transformados y lograr formar un granulado. Las partículas se mantienen en movimiento por agitación mecánica, salvo en el caso del lecho fluidizado donde el aire es el agente que facilita la transferencia de materia entre el ligante y el lecho de partículas sólidas. La figura 2.4 esquematiza algunos de los procesos de aglomeración que emplean agitación utilizados habitualmente en la industria de granulación. MEZCLADOR HORIZONTAL DISCO PELLETIZADOR TAMBOR ROTATIVO LECHO FLUIDIZADO Figura 2.4. Sistemas de aglomeración con agitación. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 51 Existen tres tipos de procesos que controlan la densidad y la distribución de tamaños de los gránulos formados:  Humectación y nucleación.  Crecimiento y consolidación.  Desgaste y ruptura. En la Figura 2.5 puede verse un resumen de los mecanismos implicados en un proceso de granulación en húmedo mediante la acción de un ligante que enlaza partículas discretas de un material pulverizado (A) y mediante la acción de un ligante y la unión de dos partículas discretas de distinta naturaleza (B). Figura 2.5. Mecanismos de crecimiento de gránulo en la tecnología húmeda de granulación. Fuente: The Science and Engineering of Granulation Processes - Kluwer Academics. La etapa de nucleación representa la fase inicial donde se forman los pequeños núcleos mediante la humectación de las partículas sólidas primitivas. Las gotas de ligante líquido penetran en el lecho de partículas debido a fuerzas capilares. La distribución de las gotas de aglomerante en la superficie del material pulverizado no debe ser excesiva, de lo contrario se producirá un crecimiento exagerado del gránulo. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 52 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS La citada desventaja se evita siempre y cuando se emplee una dispersión mecánica adecuada que permita que la distribución de líquido sea eficaz. Las etapas de crecimiento y consolidación determinan las propiedades clave en el gránulo final (densidad, porosidad, tamaño, etc). Por lo tanto, las colisiones debidas a los impactos en el interior del equipo de granulación son un parámetro que es necesario modelizar para controlar y predecir el régimen de operación (Litster, 2003). Si la intensidad de los enlaces formados no es la necesaria para que la estructura del gránulo tenga consistencia, ocurren fenómenos de abrasión, desgaste e incluso rotura, en caso de que las fuerzas que actúan sobre el lecho de partículas, sean de elevada magnitud (Verkoeijen, 2002). Idealmente, el ligante ha de distribuirse en forma de película fina sobre las partículas sólidas y la formación de los núcleos se debe a la colisión y la formación de puentes entre partículas individuales que se consolidan debido a la formación de puentes líquidos (Rumpf, 1970). En alguno de estos sistemas se hace actuar una fuente de calor simultáneamente con la agitación lo que provoca un secado del gránulo formado y, por consiguiente, un beneficio en la calidad del producto final afianzando el ligante a la estructura del gránulo y eliminando el exceso superficial de aditivo (Litster, 2004). Generalmente, dicho ligante se disuelve en agua como etapa previa a su mezcla con el material sólido durante el proceso de aglomeración. En ocasiones esta mezcla de ligante y agua se adiciona en caliente para favorecer las propiedades adhesivas. La elección de la sustancia ligante a emplear es mayoritariamente empírica y depende de la experiencia previa del equipo que formula el proceso. En la siguiente tabla (2.1) se proponen algunas de las sustancias empleadas como ligantes en función de su naturaleza orgánica o inorgánica. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 53 Tabla 2.1. Ejemplos de ligantes orgánicos e inorgánicos empleados en aglomeración. Orgánicos Inorgánicos Lignosulfonatos Silicatos Almidón Alúmina Melazas Arcillas Alginatos Hidróxido sódico Serrín Sílice Carboximetilcelulosa Cemento Portland Polietilenglicol Bentonita Gomas Yeso Caseinatos Cal Brewex Cemento Sorel 2 2. .3 3. .2 2 M MÉ ÉT TO OD DO OS S D DE E C CO OM MP PA AC CT TA AC CI IÓ ÓN N M ME ED DI IA AN NT TE E P PR RE ES SI IÓ ÓN N En contraste con los métodos de agitación, donde no existen fuerzas externas aplicadas, en los métodos de compactación una presión externa actúa sobre una masa confinada de partículas sólidas. Este fenómeno se traduce en que la densidad relativa de los productos compactados puede llegar a ser el doble de la de los productos obtenidos mediante procesos de granulación, fundamentalmente debido a que las presiones de trabajo son cientos de veces superiores a las empleadas en dichos procesos (Pietsch, 1997). La aplicación de una presión tan elevada genera una localización del trabajo de compactación que se transmite a través de las partes rugosas de las partículas en torno a los puntos de contacto. Para métodos de compactación a alta presión las presiones de trabajo suelen superar los 200 MPa. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 54 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Estos métodos se caracterizan por ser muy versátiles y porque se produce una alta densificación y el producto resultante presenta baja porosidad. Cuando tienen lugar los procesos de rozamiento entre partículas y las deformaciones se pueden generar fusiones que forman un puente líquido que solidifica instantáneamente. La dureza de los productos suele ser elevada a la salida del equipo de aglomeración e incluso puede ser mejorada con la adición de ligantes o el uso de sistemas de post-tratamiento. Entre los métodos de compactación a alta presión podemos distinguir entre prensas de rodillos y equipos de briqueteado (prensas de tornillo o prensas de pistón). En los procesos de aglomeración por compactación, mezclas de materiales pulverizados se compactan por alta presión para formar plaquetas de mayor tamaño que luego se trituran en desmenuzadores y se tamizan para obtener los gránulos deseados que son más densos que los obtenidos por las tecnologías en vía húmeda. En la Figura 2.6 se ilustran los equipos de compactación empleados y sus elementos constitutivos. PRENSA DE RODILLOS LISOS PRENSA DE RODILLOS MOLETEADOS Figura 2.6. Equipos de compactación entre rodillos y sus elementos constitutivos. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 55 Una particularidad de este tipo de tecnología es que no es necesaria una etapa de secado adicional lo que reduce los costes energéticos pues se trabaja con partículas prácticamente libres de humedad. Entre los parámetros clave en el diseño de este tipo de equipos los más destacables son: diámetro de rodillos, hueco de separación entre rodillos, velocidad de giro de rodillos y sistema de alimentación. Dos fenómenos importantes limitan la velocidad de compactación, y por consiguiente, la capacidad de estos equipos son:  El aire atrapado en los poros.  La recuperación elástica. Ambas limitaciones provocan fracturas en el seno del compacto y un debilitamiento o destrucción de los productos formados (Simon, 2003). La limitación que supone el aire atrapado en el seno del material sólido tiene una relación directa con su permeabilidad y sus efectos pueden minimizarse si el proceso de densificación se lleva a cabo tan lentamente como sea necesario de manera que el aire ocluido como consecuencia de la disminución de la porosidad pueda liberarse sin excesiva dificultad. Una manera de minimizar este efecto es mantener durante un tiempo la máxima presión como paso previo a la eyección del compacto. Dicho tiempo se conoce como tiempo de permanencia. A continuación, en la figura 2.7, se muestra un sistema de compresión mediante rodillos lisos y un esquema del sistema hidráulico con N2 gas empleado en este tipo de equipos para proporcionar la fuerza necesaria sobre el rodillo móvil. El producto bruto de estas prensas son plaquetas cuya superficie quedará definida por la superficie de los rodillos y que posteriormente será necesario trocear y tamizar para obtener los gránulos finales de tamaño deseado. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 56 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 2.7. Esquema de un equipo compactación con sistema de N2 gas acoplado. Fuente: Euragglo. En la siguiente figura 2.8 se pueden visualizar distintos productos obtenidos a partir de sólidos pulverizados mediante compactación en seco empleando equipos de briqueteado. Las formas y dimensiones de las plaquetas quedarán definidas por el tipo de rodillos empleados. Figura 2.8. Distintos productos obtenidos mediante aglomeración por briqueteado de materiales pulverizados a elevada presión. Fuente: Komarek Inc. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 57 En la figura 2.9 se muestran distintas plaquetas de carbonato cálcico obtenidas mediante compresión en un equipo de rodillos moleteados. Figura 2.9. Plaquetas obtenidas a partir de carbonato cálcico mediante compresión entre rodillos moleteados. La compactación mediante presión se lleva a cabo en dos etapas claramente diferenciadas; una primera que comprende un reordenamiento forzado de las partículas debido a la presión aplicada y una segunda en la cual las partículas frágiles se rompen y las partículas maleables se deforman plásticamente. El análisis de los mecanismos de compactación de un material suele llevarse a cabo previamente mediante la simulación del proceso de compresión sometiendo una muestra a un ensayo de compresión uniaxial (Heckel, 1961; Roberts, 1987). La construcción de diagramas continuos de compactación proporciona información acerca de las etapas de transición entre las distintas fases de la compactación y evita la pérdida de información con respecto a los diagramas discretos (Matsumoto, 1986; Mort, 2001). Una representación de dichas etapas puede verse en la figura 2.10 donde se expresa la variación de las propiedades de un compacto en función de la presión a medida que avanza el proceso. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 64 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 2 2. .3 3. .3 3 M MÉ ÉT TO OD DO OS S A AL LT TE ER RN NA AT TI IV VO OS S Se incluyen distintas tecnologías como pueden ser la aglomeración mediante spray-dryer, métodos de mezcla con una elevada tasa de cizalla, métodos de aglomeración mediante sinterización, métodos de aglomeración mediante procesos de coagulación, etc. Las bases teóricas en las que se fundamentan cada uno de estos métodos son totalmente diferentes por lo que resulta difícil su caracterización como anteriormente se hizo para los métodos por agitación y por presión. Un ejemplo típico en la industria de fertilizantes nitrogenados son las torres prill, (aglomeración por evaporación súbita), donde se obtienen gránulos esféricos de diámetro comprendido entre 1 y 2 mm. El fundamento de esta tecnología es la formación de gotas de un material en disolución que caen desde la parte superior de una torre y entran en contacto en contracorriente con aire a elevada temperatura. Este tipo de proceso es empleado para la obtención de perlas de urea representadas en la figura 2.15 para diferentes tamaños de gránulo. Este tipo de tecnología también se emplea en la obtención de granulados de nitrato amónico y azufre. Figura 2.15. Imagen de distintos tamaños de gránulos de urea obtenidos mediante prilling. Fuente: TOYO Engineering Corporation. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 65 En la siguiente figura 2.16 puede observarse el diagrama de flujo de un proceso de este tipo donde la urea es alimentada por la parte superior de la torre de prilling. Figura 2.16. Esquema de un proceso de obtención de gránulos mediante prilling. Fuente: Ceamag. En este proceso se suelen emplear coayudantes inorgánicos de la cristalización (cationes: Cu+2, Sr+2, Mn+2 y aniones SO4-2, NO3-, Cl -) que facilitan la formación de las “perlas” y actúan como modificadores de cristalización. El esquema de una línea de producción de este tipo suele incluir también un proceso de acondicionamiento final del gránulo formado mediante la adición de sustancias de recubrimiento y agentes antiapelmazantes. Otra alternativa, es un proceso de spray dryer (secado por aspersión). La particularidad de este tipo de tecnología es que se lleva a cabo en un mismo equipo el proceso de aglomeración y el secado de los gránulos producidos. Para ello se mezcla un gas caliente con una corriente líquida atomizada (rociada) dentro de una cámara de secado para lograr la evaporación y producir un gránulo seco suelto con un tamaño de partícula medio controlado. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 66 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Este proceso presenta la particularidad de que requiere un tiempo de residencia menor que otros equipos de aglomeración y permite un mejor control del tamaño de partícula final. La alimentación se encuentra en estado fluido (formando una pasta, una corriente líquida o una suspensión) y se lleva a cabo su secado con la pulverización de la misma mediante su contacto con una corriente de gas a elevada temperatura en una cámara de secado. El producto puede estar conformado por partículas individuales o por gránulos aglomerados dependiendo de las características físicas y químicas de la alimentación y del diseño del equipo. En una primera etapa la alimentación se seca hasta un contenido de humedad aproximado del 50% y posteriormente se introduce esta corriente en una torre de secado donde se llevan a cabo 3 procesos simultáneos:  Atomización del concentrado en forma de microgotas muy finas.  Mezcla del concentrado dispersado en el seno de una corriente de aire caliente que evapora súbitamente la humedad que contiene.  Separación de las partículas o gránulos secos formados y la corriente de aire caliente para su recirculación. La entrada de la corriente en un sistema de spray dryer, se realiza por la parte superior de la cámara de secado y se hace pasar a través de una válvula rotativa que genera una pulverización homogénea siendo esta etapa de atomización uno de los puntos críticos del proceso. Un esquema del diagrama de flujo de la tecnología de puede verse en la figura 2.17. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 67 Aire húmedo Aire caliente Alimentación Cámara de secado Atomizador Separador ciclónico Transporte de producto Descarga de producto Acondicionamiento Figura 2.17. Esquema de un proceso de spray-drying. Un proceso de estas características implica un complejo entramado de integración y reciclado de corrientes, tratamiento de la humedad de las mismas y separación que hace que el proceso resulte económicamente rentable. Este tipo de procesos son muy habituales por ejemplo en la fabricación a escala industrial de leche en polvo, detergentes o pigmentos. Por lo que respecta a los métodos de sinterización, su principal característica es que se combinan las propiedades de la aglomeración mediante presión con el efecto de la energía térmica. La mayor parte de los materiales cerámicos y muchas especialidades de polvos metálicos con utilidad en industrias como la electrónica, la automoción o la aeroespacial se construyen mediante esta tecnología y las temperaturas de trabajo comprenden un rango entre los 700 y los 2.000 ºC. Entre los métodos de conformado, previos al proceso de sinterización, se puede establecer una clasificación como la que se muestra en la tabla 2.2 entre los que emplean calor y los que se llevan a cabo en frío. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 68 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Tabla 2.2. Métodos de conformado. SIN CALOR CON CALOR Compactación uniaxial Compresión en caliente Compactación isostática en frío (CIP) Compactación isostática en caliente (HIP) Moldeo por inyección La difusión en el estado sólido causa la formación de puentes líquidos entre las superficies, y posteriormente solidifican mediante un enfriamiento produciéndose la formación de un compacto mediante la eliminación de los poros y fenómenos de encogimiento. La fuerza impulsora de los fenómenos de sinterización es la disminución del área superficial de las partículas originales y se requiere alcanzar la temperatura de fusión de los materiales implicados. La compactación isostática en frío (CIP) es un método discontinuo de conformado muy empleado en la industria cerámica y metalúrgica por su alta productividad. Es un método de compactación que lleva a cabo confinando herméticamente el material pulverizado en moldes elásticos típicamente de goma, látex o PVC, y aplicando presión hidrostática mediante un fluido que puede ser agua o aceite. Las piezas en verde obtenidas por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas. Una de las principales ventajas de este método de compactación es la alta relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas con respecto a la compactación uniaxial. Por su parte, en la compactación isostática en caliente (HIP), se aplican simultáneamente presión y calor en el conformado. No existen problemas de fricción y se consigue una uniformidad de propiedades en el compacto formado. La compactación y el sinterizado se realizan en una única etapa confinando herméticamente el polvo en un recipiente flexible y exponiéndolo seguidamente a alta temperatura y presión. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 69 En el siguiente esquema (Figura 2.18) se muestra un diagrama de flujo del proceso de sinterización para obtener carburos metálicos mediante la difusión de átomos de cobalto sobre un lecho de carburo de wolframio. Figura 2.18. Esquema de un proceso de prensado isostático en caliente (HIP). Los productos obtenidos por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas y pueden obtenerse valores elevados de densidad en las piezas debido a la baja porosidad residual que queda tras el proceso, con valores en muchos casos superiores al 99% de la densidad real del material. Se produce entonces una redistribución de la masa en la estructura interna y una reducción de la porosidad mediante una reducción de la energía superficial total (Riera, 2006). La cinética del proceso depende en gran medida de la temperatura, el tiempo y la intensidad del contacto entre las unidades individuales. Los productos obtenidos por este sistema de producción destacan por presentar propiedades uniformes e isótropas. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 70 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS En la siguiente figura (2.19) se puede observar la disminución de la porosidad en un proceso de sinterización de partículas de cobre. La evolución estructural se realizó antes de comenzar la operación de sinterización (a), sobre el producto final (d), y a diferentes temperaturas: b) 1.000 ºC y c) 1.500 ºC. Figura 2.19. Etapas de un proceso de sinterización de cobre. Fuente: European Materials Research Society. 2 2. .4 4 C CR RI IT TE ER RI IO OS S D DE E S SE EL LE EC CC CI IÓ ÓN N D DE E U UN N M MÉ ÉT TO OD DO O D DE E A AG GL LO OM ME ER RA AC CI IÓ ÓN N Para la selección de un proceso de aglomeración, tal como se muestra en la Figura 2.20, se han de tener en cuenta de manera interactiva, tanto las propiedades fisicoquímicas, como las propiedades mecánicas de los materiales implicados y las condiciones de operación del proceso. Por ejemplo, por lo que se refiere a las condiciones de proceso y en comparación con los métodos de granulación en húmedo, en los métodos de compactación mediante presión se invierte menor tiempo en fabricar el gránulo final. Además se trata de sistemas continuos con pocas etapas de fabricación y menores costes energéticos debido a la ausencia de etapas de secado. En contraposición, dichos métodos no pueden obtener gránulos esféricos y la superficie del producto final es irregular. Dicha desventaja puede minimizarse empleando equipos que eliminen las aristas mediante un pulido como etapa de post-tratamiento antes del envasado final. a) b) c) d) Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 71 Figura 2.20. Interacción de factores en un proceso de compactación. En general, la producción de finos en las tecnologías de aglomeración por presión es mayor en cantidad, y su recirculación puede influenciar de manera importante las condiciones de entrada siendo necesaria una corrección. En los ensayos preliminares se tiene en cuenta que las corrientes de recirculación presentan un mayor tamaño de partícula fruto de las operaciones de triturado de otros aglomerados y, en caso de existir, la adición previa de ligante en la etapa de mezclado. Cuando se trata un proceso de granulación, la corriente de recirculación procedente de la trituración de gránulos mayores del tamaño deseado o el reciclo de finos producidos por rotura de otros gránulos, presenta la particularidad de que las partículas que la forman pueden servir como núcleos en los mecanismos de crecimiento que se llevan a cabo y la formación de aglomerados es más efectiva en términos globales por lo que el rendimiento de la etapa suele aumentar. Dada la gran variedad de procedimientos de aglomeración disponibles, las consideraciones a tener en cuenta para la elección de la tecnología más adecuada y la resolución del problema a resolver se recogen de forma esquemática en la siguiente tabla 2.3. Propiedades del producto Propiedades de las materias primas Condiciones del proceso PROCESO DE AGLOMERACIÓN Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS 72 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Tabla 2.3. Variables a tener en cuenta en la elección de un método de aglomeración. Materias primas Producto Proceso Distribución de tamaño de partícula Forma y tamaño del gránulo deseado Operación continua / discontinua Contenido en humedad Resistencia Capacidad Propiedades de enlace Porosidad Operación en seco / húmedo Características especiales (Porosidad, superficie específica, morfología, etc) Solubilidad en agua Requerimientos energéticos Propiedades mecánicas Reactividad Costes económicos Propiedades de flujo 2 2. .5 5 I IN NG GE EN NI IE ER RÍ ÍA A D DE E P PR RO OC CE ES SO OS S Tal y como se ha puesto de manifiesto en los apartados anteriores, en una operación de aglomeración, con independencia de la tecnología a emplear, la tarea más difícil es la de formar un núcleo estable debido a la presencia de un número muy reducido de puntos de coordinación en los aglomerados de pequeño tamaño. Dado que, tanto la masa de partículas, como sus núcleos no presentan un valor elevado, su energía cinética no es lo suficientemente grande como para causar una deformación microscópica en los puntos de contacto para favorecer el enlace. Esta desventaja puede compensarse con la recirculación de los finos producidos a la salida de la unidad de aglomeración, puesto que dichas partículas, de mayor tamaño que las originales, proporcionan núcleos a los que se añaden más fácilmente otras partículas y se forman los aglomerados. Es bastante frecuente que toda la corriente de recirculación de finos se lleve al mezclador para volver a añadirle ligante, aunque también es posible que en función de sus propiedades entre en el granulador directamente. Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 73 En ocasiones para controlar los mecanismos de crecimiento involucrados es necesario añadir también ligantes en la unidad de aglomeración. Los métodos de agitación permiten obtener en primer término los llamados aglomerados verdes que presentan fuerzas de cohesión débiles y una humedad relativa alta enlazados mediante tensión superficial y fuerzas de capilaridad proporcionadas por el ligante líquido. Por esta razón, este tipo de métodos de granulación requieren diversos post-tratamientos de acondicionado final del gránulo. Entre dichas etapas destacan las de secado, enfriamiento, molienda, doble tamizado, pulido, recirculación del material fino, antiapelmazantes o sustancias de recubrimiento. En algunos procesos, es posible realizar un tamizado a la salida de la unidad de aglomeración y seleccionar una estrecha distribución de tamaño de gránulos para llevarla a las etapas de post-tratamiento. Esto solamente puede realizarse si los gránulos no presentan elevada humedad puesto que en este caso, cegarían fácilmente los tamices de separación por tamaños. Todas estas etapas hacen que en ocasiones esta tecnología resulte poco atractiva desde el punto de vista económico a pesar de que en los métodos de agitación las etapas de reciclado están siempre presentes y las pérdidas resultan mínimas. En algunos procesos en la etapa de granulación se somete la mezcla de partículas a un precalentamiento en la fase de mezcla para favorecer el enlace (Holt, 2004). En la Figura 2.21 puede verse un diagrama de flujo típico de un proceso de granulación húmeda donde se aprecian las diversas etapas de post-tratamiento de producto bruto (reciclado, tamizado, molienda, etc). 3.1 DENSIDAD REAL 83 3.2 DENSIDAD APARENTE 84 3.3 DISPERSIBILIDAD 85 3.4 SUPERFICIE ESPECÍFICA 86 3.5 POROSIDAD 89 3.6 DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA 90 3.7 ANÁLISIS QUÍMICO 95 3.8 DIFRACCIÓN DE RAYOS X 96 3.9 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) 103 3.10 PERMEABILIDAD 108 3.11 COMPRESIBILIDAD 111 C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 3 3: : T TÉ ÉC CN NI IC CA AS S D DE E C CA AR RA AC CT TE ER RI IZ ZA AC CI IÓ ÓN N D DE E L LO OS S C CA AR RB BO ON NA AT TO OS S E EM MP PL LE EA AD DO OS S Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 83 3 3. .1 1 D DE EN NS SI ID DA AD D R RE EA AL L La medida de la densidad real de los carbonatos pulverizados se realizó en un picnómetro automatizado Micromeritics Accupyc 1330, que opera mediante la técnica de desplazamiento de gas Helio (Lowel, 2004). Para esta medida, el Accupyc realiza la determinación volumétrica basándose en el Principio de Arquímedes, cuantificando el volumen desplazado por un cuerpo sólido cuando se sumerge en el seno de un fluido. Figura 3.1. Imagen del picnómetro Accupyc 1330 utilizado. El Helio se utiliza por ser un gas inerte y porque el tamaño de sus átomos le permite penetrar en poros extremadamente pequeños. Conocida la masa del material objeto de análisis y mediante la medida de la diferencia de presión ejercida por una cantidad de He en la célula de referencia (P1) de volumen conocido (VR) y la presión ejercida por el mismo gas en una célula de medida (P2) de volumen (VC) que contiene el material pulverizado cuyo volumen se quiere determinar, el equipo aplica la ecuación de los gases ideales: 1 2 ( ) 1 P C R P V V V P (E.3.1) donde VP representa el volumen del material. Finalmente, conocidos los valores de masa y volumen se realiza el cálculo correspondiente para determinar la densidad ( pyc ). Esta medida se llevó a cabo por triplicado para obtener un valor fiable y con exactitud. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 84 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Los valores obtenidos para la densidad real de las muestras se exponen en la Tabla 3.1: Tabla 3.1. Valores de densidad real. CA MG RE ρpyc ( g/cm3) 2,76 ± 0,01 2,85 ± 0,01 2,73 ± 0,01 Estos ensayos se llevaron a cabo en el Laboratoire de Technologie des Poudres et Suspensions, Université de Technologie de Compiègne (Francia) y resultan parte fundamental en algunas de las determinaciones sucesivas de este trabajo puesto que forman parte de los cálculos teóricos incluídos en los modelos de compactación de partículas (Sonnergaard, 2000). 3 3. .2 2 D DE EN NS SI ID DA AD D A AP PA AR RE EN NT TE E Las medidas de densidad aparente se realizaron mediante un dimensionado directo con la determinación del peso del material en un volumen conocido utilizando probetas de distintos volúmenes. Para cada material se han llevado a cabo 5 ensayos y el valor tomado como fiable proviene de la media aritmética de las determinaciones según la norma UNE-83-226-86 “Determinación de la densidad aparente de los aditivos sólidos". A pesar de que la determinación cuantitativa de este parámetro se encuentra condicionada por muchos factores, y depende en gran medida del operador o del volumen de recipiente en el que se realiza la medida, se trata de un valor que se utilizará de manera repetida en muchos cálculos numéricos para evaluar otros parámetros como, por ejemplo, la compresibilidad, por lo tanto su determinación ha de ser abordada con prudencia. Los valores obtenidos experimentalmente para cada carbonato se muestran en la Tabla 3.2. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 85 Tabla 3.2. Valores de densidad aparente obtenidos experimentalmente. CA MG RE Densidad aparente ρ (g/cm3) 1,01± 0,02 0,87± 0,03 0,63± 0,01 El valor de la densidad aparente del material RE es bastante menor que para CA y MG. Esto se debe a la morfología de las partículas de dicho carbonato y al mayor grado de empaquetamiento que experimentan. 3 3. .3 3 D DI IS SP PE ER RS SI IB BI IL LI ID DA AD D La medida de la dispersibilidad de un material pulverizado ofrece una idea de la tendencia a fluir en el ambiente. Este parámetro es muy importante, tanto desde el punto de vista operacional, como desde el punto de vista de la seguridad e higiene en el ambiente laboral en el que se desarrollará el proceso industrial. Un material pulverizado con alta dispersibilidad se distribuirá formando nubes de polvo muy fino y será necesario dotar a la instalación de un sistema de atrapamiento o filtración para evitar problemas respiratorios. El módulo de medida de la dispersibilidad consta de un tubo cilíndrico hueco de una altura de 80 cm. En su parte superior se emplaza un dispositivo con una compuerta donde se colocan 10 g de muestra del material a analizar. En la parte inferior de dicho tubo se coloca un vidrio de reloj de 100 mm de diámetro. En un instante dado, se acciona una palanca que abre repentinamente la compuerta donde se ha colocado la muestra problema y el material pulverizado cae por acción de la fuerza de gravedad en el interior del cilindro e impacta en el vidrio de reloj que actúa como depósito recolector. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 86 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Como consecuencia de sus propiedades de flujo y dispersibilidad se recogerá una cantidad determinada de material en el vidrio de reloj y otra parte volará en el ambiente. La medida de la dispersibilidad, se efectúa calculando el porcentaje de material recogido en el vidrio de reloj teniendo en cuenta los 10 g de peso iniciales. Esta medida se realizó por triplicado sobre los 3 materiales (CA, MG, RE) para obtener un valor ponderado. Los resultados se muestran a continuación en la siguiente tabla (Tabla 3.3): Tabla 3.3. Valores de dispersibilidad obtenidos mediante el Hosokawa Powder Tester. CA MG RE Dispersibilidad (%) 71,43 60,16 26,45 Este parámetro se determinó experimentalmente en el Departamento de Farmacia y Tecnología Farmacéutica de la Facultad de Farmacia de la USC y se llevó a cabo en un Hosokawa Powder Tester. Los valores obtenidos reflejan una mayor dispersibilidad para el CA y MG resultando la sustancia RE la que menos se dispersa. Estos valores son una consecuencia del tamaño de partícula de cada material y de su porcentaje de humedad. 3 3. .4 4 S SU UP PE ER RF FI IC CI IE E E ES SP PE EC CÍ ÍF FI IC CA A El ensayo de área superficial específica se determinó en el equipo Micromeritics Gemini 2360 (Figura 3.2) en el Instituto de Cerámica de Galicia. Se trata de un analizador totalmente automático, que realiza la determinación del área superficial en un punto o superficie específica multipunto. Para ello se evalúa la adsorción de gas nitrógeno en la superficie del material sólido (Brunauer, 1938). Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 87 El área total, St, se puede expresar como el producto del número de moléculas de gas adsorbidas en una monocapa, Nm, y el área efectiva de la sección de la molécula de adsorbato, As, según la ecuación: ms t SNA (E.3.2) Figura 3.2. Modelo de la serie Gemini de Micromeritics utilizado para la determinación del área superficial. De este modo, la medida del área depende de la fiabilidad de la predicción del número de moléculas requeridas para recubrir el sólido con una monocapa y del área de la sección de las moléculas adsorbidas. Sustituyendo Nm en la expresión anterior se puede replantear la ecuación del siguiente modo: m A S tW N A SM (E.3.3) Wm representa el peso de la monocapa de gas adsorbido en la superficie del sólido; NA representa en nº de Avogadro y M el peso molecular del adsorbato. En círculos aparecen resaltados la célula de referencia (izquierda) y la célula de muestra (derecha). Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 88 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Al ir incrementando la presión en el proceso de adsorción de un gas sobre una superficie sólida, ésta se va recubriendo progresivamente con el adsorbato. Además de depositarse en la superficie del sólido, las moléculas de gas se adsorberán sobre moléculas previamente adsorbidas. Como consecuencia, comenzará a formarse una segunda capa y otras sucesivas, antes de que se complete la primera. La teoría BET es la que se emplea mayormente para estimar Wm en un proceso de adsorción de gas. Conocido el peso molecular de la monocapa, se pretende determinar el área eficaz de las moléculas de gas adsorbido. Como adsorbato se utiliza N2 gas, por su fiabilidad de adsorción en la mayoría de sólidos, y porque su área específica está perfectamente determinada previamente a partir del nitrógeno líquido tomando el valor de 16,2 10-20 m2. La presión de saturación utilizada en todo momento en el equipo se corresponde con 765,75 mm de Hg. La muestra se desgasifica calentándola ligeramente e introduciendo un gas inerte (nitrógeno gas) para eliminar el resto de gases presentes. Se produce la adsorción del gas en la muestra, y progresivamente se va variando la presión relativa en función de la relación del N2. Los cambios de presión permiten el cálculo de los volúmenes de gas a medida que la muestra sólida adsorbe gas, una vez que la presión desciende. Una vez alcanzado el equilibrio, la presión alcanzada se utiliza para calcular la cantidad de adsorción a esa presión relativa (Lowel, 2004). Este proceso se repite para obtener 5 puntos en el rango de valores lineal de las presiones relativas. Una vez determinados los valores de la pendiente de la recta y de la ordenada en el origen, y conocido previamente el peso de la muestra, se obtiene numéricamente la superficie específica. En la Tabla 3.4 se expresan los valores obtenidos para el área superficial BET para cada uno de los carbonatos objeto de estudio en este trabajo. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 89 Tabla 3.4. Valores obtenidos para el área superficial específica. Material ÁREA SUPERFICIAL BET Multipunto (m2/g) ÁREA SUPERFICIAL BET Un punto (m2/g) CA 1,5623 1,5293 MG 4,3011 4,1829 RE 1,5319 1,4640 3 3. .5 5 P PO OR RO OS SI ID DA AD D La porosidad representa la fracción de espacios vacíos que se suelen crear durante la formación de una estructura y disminuye a medida que se ejerce una presión sobre un lecho de sólido. Este valor resulta trascendente en la compactación de sólidos pulverulentos puesto que el aire contenido en el seno de los mismos jugará un papel determinante en el proceso debido a que su evacuación eficaz a través de los poros evitará problemas de laminación en las estructuras compactadas formadas. En el sentido más estricto se conoce como porosidad la fracción de huecos así como al aire contenido en el seno de un material pulverizado. Estos poros pueden ser de diversos tipos según se expone en la Tabla 3.5. Tabla 3.5. Tipos de poros y clasificación en función del tamaño. Tipo Tamaño Microporos < 2 nm Mesoporos 2-50 nm Macroporos > 50nm El valor de la porosidad del material pulverizado se llevó a cabo una vez conocidos los valores de la densidad real y la densidad aparente obtenidos previamente. Para ello se empleó la siguiente ecuación que relaciona dichas variables: ·100 real aparente real (E.3.4) Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 96 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 3 3. .8 8 D DI IF FR RA AC CC CI IÓ ÓN N D DE E R RA AY YO OS S X X La difracción de rayos X es una técnica de análisis versátil y no destructiva para la identificación y determinación cuantitativa de varias formas cristalinas conocidas como “fases”, de las especies químicas presentes en materiales sólidos y pulverulentos. Dicha identificación se realiza mediante la comparación del difractograma de una muestra conocida con una base de datos internacionalmente reconocida que contiene patrones de referencia de más de 70.000 fases. Las fases presentes en un material determinan en gran medida sus propiedades físicas y el comportamiento mecánico del mismo, por ello resulta fundamental su identificación. Una red cristalina es una distribución tridimensional de átomos en el espacio (cúbica, hexagonal, tetragonal, etc). Éstos se encuentran ordenados formando una serie de planos paralelos separados unos de otros por una distancia d, la cual varía de acuerdo con la naturaleza del material. La Figura 3.8 representa una vista de la disposición espacial de los átomos que integran la estructura de la calcita donde los átomos de calcio y su coordinación están representados en amarillo mientras que los átomos de carbono y su coordinación aparecen en color gris y los átomos de oxígeno aparecen reflejados en color azul. Figura 3.8. Estructura tridimensional de la calcita Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 97 Los rayos X son una forma de radiación electromagnética de elevada energía y baja λ (del orden de los espacios interatómicos de los sólidos). Cuando un haz de rayos X incide en un material sólido, parte de este haz se dispersa en todas las direcciones a causa de los electrones asociados a los átomos o iones que encuentra en el trayecto, pero el resto del haz origina el fenómeno de difracción de rayos X, que tiene lugar si existe una disposición ordenada de átomos y si se cumplen las condiciones que establece la Ley de Bragg * . Un esquema representativo de esta ley se muestra en la Figura 3.10. Cuando un rayo monocromático de rayos X con una longitud de onda λ es dirigido hacia un material cristalino con un ángulo de incidencia θ, la difracción ocurre únicamente cuando la distancia recorrida por los rayos reflejados por los sucesivos planos es un número completo (n) de longitudes de onda. Las distancias interatómicas en Amstrong (10-10 m) de un grupo carbonato se muestran en la figura 3.9. La sustitución de átomos de Ca por átomos de Mg causa cambios en la fuerza (distancia) del enlace causando que la simetría de dolomita sea levemente menor que la de la calcita. Figura 3.9. Distancias interatómicas en un grupo carbonato. * La ley de Bragg permite estudiar las direcciones en las que la difracción de rayos X sobre la superficie de un cristal produce interferencias constructivas, pues permite predecir los ángulos en los que los rayos X son difractados por un material con estructura atómica periódica (materiales cristalinos). Fue derivada por el físico británico William Henry Bragg en 1913. Los átomos de oxígeno parecen representados en azul y el átomo de carbono central en gris. (DC-O = 2,22 Å y DO-O = 1,28 Å) Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 98 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Variando el ángulo de incidencia, las condiciones de la ley de Bragg se cumplen en los diferentes espaciados (d) de cada material policristalino. Si no se cumple la ley de Bragg, la interferencia es de naturaleza no constructiva y el campo del haz difractado es de muy baja intensidad. Figura 3.10. Esquema representativo de la Ley de Bragg. Los rayos X incidentes excitan a los electrones de los átomos del material poniéndolos en oscilación al mismo ritmo de frecuencia y convirtiéndolos en nuevos centros de oscilación. En estas condiciones no todos los átomos se encuentran al mismo tiempo en la misma situación de oscilación y los de las capas más interiores son excitados una fracción de tiempo posterior a la de los átomos de la superficie. Esto da origen a una diferencia de fase, que cuando coincide con una longitud de onda entera o un múltiplo entero produce el fenómeno de interferencia constructiva. De esta manera la acción conjunta de oscilaciones e interferencias se verifica con igual frecuencia. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 99 El efecto de la interferencia de estas oscilaciones produce direcciones de intensificación de oscilaciones individuales o direcciones de debilitación. Trazando las posiciones angulares y las intensidades de los picos producidos por la radiación, se genera una representación que es característica de la muestra denominada difractograma. El difractograma permite pues diferenciar las fases presentes (mediante la localización de los picos característicos) y hallar la concentración de cada una de las fases (mediante la medida de la altura de sus picos), se trata por lo tanto de una técnica cualitativa y cuantitativa. Para discernir las fases que forman parte de cada material (CA, MG y RE) y dilucidar el tipo de estructura cristalina que adoptan los carbonatos presentes en cada muestra se empleó un difractómetro SIEMENS D5000 con cámara Bühler HDK de alta temperatura y un equipo de alto vacío. En la Tabla 3.9 se incluyen los componentes identificados en cada una de las muestras como consecuencia de la comparación con los estándares de referencia. Tabla 3.9. Sustancias cristalinas presentes en los materiales objeto de estudio. Material Calcita Magnesita Dolomita Mica Cuarzo MgO CA Mayoritario --- Presente Presente Presente --- MG --- Minoritario --- --- Trazas Mayoritario RE Mayoritario --- --- --- --- --- Los difractogramas obtenidos* se muestran en las siguientes figuras: *Resultados proporcionados por el Instituto de Cerámica de Galicia. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 100 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 3.11. Difractograma correspondiente a la muestra “CA”. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 101 Figura 3.12. Difractograma correspondiente a la muestra “MG”. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 102 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 3.13. Difractograma correspondiente a la muestra “RE”. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS 103 3 3. .9 9 M MI IC CR RO OS SC CO OP PÍ ÍA A E EL LE EC CT TR RÓ ÓN NI IC CA A D DE E B BA AR RR RI ID DO O ( (S SE EM M) ) La microscopía electrónica de barrido de electrones proporciona información morfológica de la superficie de los sólidos, lo que permite estudiar la microestructura de los materiales. Se emplea un haz de electrones para iluminar la muestra que pasa a través de las lentes condensadoras y el objetivo, y es dirigido por bobinas de barrido, mientras un detector cuenta el número de electrones secundarios de baja energía emitidos por cada punto de la superficie. Al mismo tiempo, se utiliza el foco de un tubo de rayos catódicos para proporcionar contraste a la imagen obtenida. El voltaje de aceleración de un microscopio de barrido va desde 2 kV a 40 kV y su resolución está entre 50 y 20 Ǻ. La irradiación produce varios tipos de radiaciones emergentes, de las cuales las más destacables son: - Electrones secundarios, muy sensibles al relieve, con los que se estudia la superficie de la muestra. - Electrones retrofundidos, cuya intensidad es proporcional al número atómico, de modo que las partes más pesadas aparecen más oscuras y las más ligeras más claras. - Fluorescencia de Rayos X, constituída por fotones característicos de los elementos presentes. Las radiaciones que se producen en cada punto de la muestra son recogidas por el detector, que las relaciona con cada punto de la pantalla y devuelve un mapa de la superficie de la muestra. La muestra debe estar libre de humedad, para evitar posibles interferencias en el chorro de electrones y que el filamento de la fuente se oxide en presencia de oxígeno, para ello, el microscopio dispone de un sistema de vacío. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 104 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Además es necesario que la superficie de la muestra sea conductora, pues en caso contrario, los electrones procedentes de la fuente quedarían retenidos y repelerían a los siguientes con lo que se producirían artefactos alterando el resultado esperado. Con este fin, la muestra se recubre con una capa de Au-Pt (200-500 Ǻ) en un metalizador diseñado para tal fin. El microscopio utilizado en este trabajo es un JEOL modelo JSM-6400 ubicado en el Instituto de Cerámica de Galicia que se ilustra en la Figura 3.14. Figura 3.14. Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-6400. La figura 3.15 muestra imágenes SEM obtenidas del material CA a diferentes resoluciones (entre 100 y 10 μm), mientras que la figura 3.16 muestra micrografías del material MG y la figura 3.17 muestra micrografías del material RE. Las imágenes obtenidas a varias resoluciones demuestran el carácter granular de los materiales CA y MG. Por el contrario la forma de las partículas del material RE resulta ser laminar. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 105 Figura 3.15. Imágenes obtenidas mediante SEM de la muestra “CA”. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 112 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 3.19. Equipo medidor de densidad aparente DUAL TAP VOLUMETER. El protocolo experimental seguido, emplea 100 mL de material pulverizado que son introducidos en una probeta graduada, a través de un tamiz vibrante de luz de malla de 1mm. La amplitud de la vibración ha de ser tal que, el tiempo necesario para llenar la probeta sea al menos de 10 segundos. Posteriormente, se retira el exceso enrasando la probeta y procurando no modificar el estado de consolidación del material pulverizado en la superficie. Luego se coloca dicha probeta en el aparato DUAL TAP y se somete a una sucesión de choques verticales. A continuación se realizan lecturas del volumen (Vn), que toma el material después de una serie determinada de choques. Para cada material se realizará un ciclo de hasta 2000 series (N=2000), alcanzando un estado de equilibrio que indica que se ha obtenido la compresibilidad del material. Este procedimiento permite realizar una representación de la evolución de la densidad aparente con las series de golpeo o taps, como se indica en la Figura 3.20 para los 3 carbonatos estudiados (CA, MG y RE). Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 113 Figura 3.20. Densidad aparente en función de la compactación. La densidad aparente N, para un número de golpes determinado N, se determinó dividiendo la masa de cada muestra entre el volumen que ocupó. Se realizaron determinaciones por triplicado para cada muestra y el valor medio se utilizó para determinar los valores de las densidades aparente y compactada para cada material analizado. Tabla 3.11. Valores de la densidad aparente y de la densidad compactada para cada uno de los materiales estudiados. Parámetro CA MG RE Densidad aparente ρ (g/cm3) 1,01 0,87 0,63 Densidad compactada ρN (g/cm3) 1,54 1,34 1,08 Empleando los datos anteriores, podemos obtener mediante cálculo el valor del índice de compresibilidad (IC) a partir de la siguiente expresión: ·100 N N IC (E3.7) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0500 1000 1500 2000 Densidad (g/cm3) N TAPS CA MG RE Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 114 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Tabla 3.12. Valores del índice de compresibilidad (%) de los materiales estudiados. Parámetro CA MG RE IC (%) 34,42 35,07 41,67 Para la determinación de la tasa de reducción de volumen de cada material se emplearon diversos parámetros: -El primer ensayo es el índice de Hausner calculado utilizando la ecuación siguiente (Santomaso, 2003): No N o V IH V (E.3.8) donde ρ0 representa la densidad aparente de partida, V0 el volumen de material inicialmente y VN el volumen de material pulverizado tras los N choques. Típicamente, un material pulverizado que es difícil de fluidizar (grupo C según la clasificación de Geldart) presentará un IH superior a 1,4. Por el contrario, un material pulverizado que ofrezca excelentes propiedades de flujo (grupo A o B según la clasificación de Geldart) presentará un IH inferior a 1,25. Los resultados experimentales de este ensayo pueden apreciarse en la figura 3.21: Figura 3.21. Gráfico de valores obtenidos experimentalmente para el índice de Hausner. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 1,53 1,54 1,71 IH CA MG RE Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 115 Por cada muestra se realizaron dos medidas y se calculó la media de ambos valores. La variación entre las dos medidas resultó ser inferior al 1%. -El segundo parámetro de caracterización mediante el cual se mide la compresibilidad por efecto de la reordenación fue el introducido por Carr y que proporciona información sobre las propiedades de flujo de un material pulverulento (Carr, 1965). Este índice se obtiene de la expresión: 1 1 oN o VV IH V C (E.3.9) Tanto el parámetro de Hausner como el índice Carr son utilizados como indicadores cualitativos para determinar si un material es cohesivo o no. Generalmente, la estructura de un material cohesivo se hunde significativamente durante la prueba de compresibilidad mientras que un material de fácil fluidización se comprime brevemente, incluso cuando se ejerce sobre el mismo una acción mecánica considerable. Tabla 3.13. Correspondencia de los valores del Índice de Carr con las propiedades de flujo. Rango Características del flujo 0,05 < C <0,15 Buenas propiedades de flujo 0,15 < C <0,25 Propiedades mediocres 0,25< C < 0,35 Pobres propiedades 0,35 < C Propiedades muy pobres Durante la acción de un choque las partículas de polvo se separan y pierden el contacto entre ellas durante un periodo de tiempo. Este fenómeno induce la reducción temporal de las fuerzas de fricción que permite el reordenamiento de las partículas. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 116 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Esta acción de choque mecánico llevada a cabo con el ensayo de compresibilidad, conduce a una optimización de las condiciones de reagrupamiento de las partículas. Los valores obtenidos experimentalmente para el índice de Carr pueden apreciarse en la figura 3.22. Figura 3.22. Grafico de valores obtenidos experimentalmente para el índice de Carr. Si se realiza una representación del valor de la compresibilidad, C, en función de un número de choques N, obtenemos una representación como la Figura 3.23. Figura 3.23. Evolución de valores obtenidos experimentalmente para el índice de Carr en función del número de taps. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,365 0,353 0,427 IC CA MG RE 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0500 1000 1500 2000 2500 IC N TAPS CA MG RE Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 117 La ecuación simplificada de Kawakita conduce a una relación entre el cambio de volumen que experimenta un material pulverizado y la acción de compresión que se ejerce (Kawakita, 1971): 11NN C a ab (E.3.10) Los parámetros a y b representan constantes características de cada material. La relación lineal entre N/C y N permite evaluar gráficamente los valores de estas constantes. La constante a, representa la compresibilidad máxima C∞ de un polvo, para un número infinito de choques, y su valor está vinculado con sus propiedades de flujo. o o VV V ac (E3.11) En la expresión anterior V∞ equivale al volumen para un número infinito de choques. Por otra parte la constante b, representa la aptitud al reordenamiento de un material. El valor de la inversa de esta constante (1/b), representa una medida de la resistencia de un material pulverizado a la compresión. De este modo, 1/b está considerado como la constante relativa a la fuerza de cohesión de las partículas que conforman un material en polvo determinado, pues indica físicamente la rapidez con la que se alcanza la etapa final de empaquetamiento. Para una determinación gráfica precisa del parámetro 1/b, se debe prestar una atención particular sobre las medidas experimentales realizadas sobre el volumen, sobre todo para valores bajos de N. Capítulo 3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS 118 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS En la siguiente gráfica, Figura 3.24, pueden observarse los valores obtenidos para las muestras analizadas de los carbonatos CA, MG y RE. Figura 3.24. Relación lineal entre N/C y N según el modelo de Kawakita. Los valores obtenidos experimentalmente para los parámetros del modelo de Kawakita se muestran a continuación en la Tabla 3.14. Tabla 3.14. Valores de las constantes a y 1/b obtenidas según las medidas experimentales para cada material de acuerdo al modelo de Kawakita (N/C = N/a + 1/ab). Material a 1 / b CA 0,37 57,20 MG 0,37 63,41 RE 0,44 59,62 y = 2,729x + 156,1 R² = 0,999 ( CA ) y = 2,7327x + 173,27 R² = 0,999 ( MG ) y = 2,2951x + 136,83 R² = 0,9997 ( RE ) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0500 1000 1500 2000 2500 N/C N C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 4 4: : Estimación de las propiedades de flujo Se profundiza en los aspectos directamente relacionados con las propiedades de flujo de los materiales sólidos estudiados así como en su trascendencia en los procesos de aglomeración. 4.1 PROPIEDADES DE FLUJO 123 4.2 FLUIDIZACIÓN 124 4.2.1 PARÁMETROS DE CARACTERIZACIÓN 4.2.1.1 VELOCIDAD MÍNIMA DE FLUIDIZACIÓN 126 4.2.1.2 CALIDAD DE FLUIDIZACIÓN 128 4.2.1.3 LÍMITE ELÁSTICO 128 4.2.2 CLASIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EN FLUIDIZACIÓN 129 4.2.2.1 PERTURBACIONES OBSERVADAS EN LA FLUIDIZACIÓN 132 4.2.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 135 4.2.4 RESULTADOS OBTENIDOS 139 4.3 ESFUERZOS DE CIZALLA 147 4.3.1 ENSAYO DE CIZALLA EN CÉLULA ANULAR 148 4.3.2 RESULTADOS OBTENIDOS 154 4.3.2.1 DIAGRAMAS DE MOHR 154 4.3.2.2 FUNCIÓN DE FLUJO 172 4.4 COMPORTAMIENTO REOLÓGICO 175 4.4.1 DETERMINACIÓN DE GRADIENTES DE ENERGÍAS Y ENERGÍA TOTAL CONSUMIDA 175 4.4.2 COEFICIENTE DE FRICCIÓN 181 C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 4 4: : E ES ST TI IM MA AC CI IÓ ÓN N D DE E L LA AS S P PR RO OP PI IE ED DA AD DE ES S D DE E F FL LU UJ JO O Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO 128 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Esta velocidad puede calcularse también mediante las correlaciones semiempíricas desarrolladas por diversos autores (Kunii, 1991). Sin embargo, algunas de estas correlaciones no tienen en cuenta parámetros tales como la porosidad o el factor de forma de las partículas. Re mf p p mf g Ud (E.4.2) Remf g mf p p Ud (E.4.3) Remf, número de Reynolds al comienzo de la fluidización. Umf, velocidad mínima de fluidización. dp, diámetro medio de las partículas ( en μm). ρp, densidad aparente del lecho de partículas en kg/m3. μg, viscosidad del gas utilizado como agente de fluidización (aire) expresado en (Pa·s). 4 4. .2 2. .1 1. .2 2 C CA AL LI ID DA AD D D DE E F FL LU UI ID DI IZ ZA AC CI IÓ ÓN N La calidad de la fluidización, se define como el cociente entre la pérdida de carga a través del lecho dividido por su sección transversal (Amale, 1996). S P QF g M (E.4.4) donde: P expresa la pérdida de carga a través del lecho en Pa, S la sección de la columna de fluidización en m2, M la masa del polvo introducida en la columna en kg y g la aceleración de la gravedad (g = 9,81 m/s2) Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 129 Un índice QF igual a 1, expresa que las partículas presentan un régimen de fluidización homogéneo y que no existe formación de caminos preferenciales en el seno del lecho encontrándose todas las partículas suspendidas por el gas. Por el contrario, cuando se observan huecos y caminos preferenciales en el interior de la columna el valor de QF no excederá de un valor típico de 0,8 incluso cuando se aumenta la velocidad del aire circulante y se producirán desviaciones significativas. 4 4. .2 2. .1 1. .3 3 L LÍ ÍM MI IT TE E E EL LÁ ÁS ST TI IC CO O De acuerdo con el método experimental descrito mediante el Sevilla Powder Tester, (Castellanos, 2004), que permite evaluar la tendencia de un material en polvo a experimentar una fluidización homogénea y que viene definida por σt, correspondiendo al valor del “límite elástico de un polvo”. max tc P (E.4.5) Siendo σc igual a la masa de muestra de polvo dividido por la sección de la columna de fluidización (A). c g m A (E.4.6) Un material fácilmente fluidizable se caracteriza por un valor de σc bajo. En la figura 4.3 se muestra un perfil típico de la pérdida de carga en función de la velocidad superficial de gas y la obtención gráfica de σt. Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO 130 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 4.3. Perfil típico de la pérdida de carga de un lecho en función de la velocidad superficial del gas empleado. 4 4. .2 2. .2 2 C CL LA AS SI IF FI IC CA AC CI IÓ ÓN N D DE EL L C CO OM MP PO OR RT TA AM MI IE EN NT TO O E EN N F FL LU UI ID DI IZ ZA AC CI IÓ ÓN N La clasificación de las partículas introducida por D. Geldart permite hacerse una idea a priori, y de manera aproximada, del comportamiento de un sólido una vez se someta a la fluidización por acción de un gas (Geldart, 1973). Esta clasificación distingue 4 grupos bien diferenciados en función de la densidad de las partículas que componen el material sólido y según su tamaño medio de partícula. Se consideran también en esta clasificación las propiedades físicas del gas utilizado en la fluidización y su densidad. La Figura 4.4 representa las zonas diferenciadas según la categoría de clasificación propuesta por Geldart en función de la diferencia de densidad y el tamaño de partícula. Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 131 Figura 4.4. Diagrama de Geldart. A continuación se realiza una descripción más detallada de esta clasificación: TIPO A Pertenecen a esta categoría los materiales en polvo de baja granulometría (20 a 50 μm) y de una densidad baja (menor de 1.500 kg/m3), para los cuales la velocidad mínima de fluidización, Umf es inferior a la Umb (velocidad mínima de burbujeo). En la fluidización de este tipo de partículas se forman normalmente canales preferenciales, y por encima de la Umb se forman burbujas de pequeño tamaño. La fluidización es relativamente fácil, mientras que la defluidización suele ser lenta una vez se cesa la alimentación de gas, debido fundamentalmente al fenómeno de la deaireación. Los catalizadores empleados en el craqueo de hidrocarburos (FCC) suelen ser materiales de este tipo. Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO 132 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS TIPO B Las partículas que se incluyen en este grupo presentan un tamaño medio entre 80 y 800 μm y su densidad puede variar entre 1.400 y 4.000 kg/m3. La formación de burbujas en este tipo de materiales es importante y aparece tan pronto como Umf=Umb. La fluidización es fácil y la defluidización rápida. Un ejemplo típico de polvo que pertenece a esta categoría es la arena. TIPO C Esta categoría reúne a materiales formados por partículas muy finas (dp<30μm) y cohesivas. La fluidización de estos materiales es muy difícil, lo que se atribuye normalmente a la importancia de las fuerzas interparticulares (fuerzas electrostáticas, fuerzas de van der Waals, fuerzas capilares, etc). Estos materiales forman zonas huecas en los lechos de mayor diámetro y dan lugar al fenómeno del lecho fijo en los lechos de menor diámetro. Con el objetivo de mejorar la fluidización se requiere un aporte adicional de energía mediante agitación o vibración al producirse la ruptura de los aglomerados formados, descendiendo la velocidad mínima de fluidización (Umf). Los mejores ejemplos de este tipo de materiales son la harina y el talco. TIPO D Las partículas que pertenecen a este grupo presentan tanto una densidad como un tamaño medio elevado (dp>800μm). Forman burbujas de gran tamaño que explotan y forman canales preferenciales. Un ejemplo de este comportamiento se puede observar en el secado en lecho fluidizado de granos de café tostado. La fluidización homogénea de partículas se caracteriza por un perfil de presión lineal y un índice calidad de fluidización próximo a 1. Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 133 Los materiales no fluidizables, que presenten una fracción hueca elevada durante el paso de aire a su través, presentan un perfil de presión aleatorio, una expansión nula, y una calidad de fluidización mediocre (0,6<QF<0,8). 4 4. .2 2. .3 3 P PE ER RT TU UR RB BA AC CI IO ON NE ES S O OB BS SE ER RV VA AD DA AS S E EN N L LA A F FL LU UI ID DI IZ ZA AC CI IÓ ÓN N En la práctica, se observan algunos fenómenos que difieren del comportamiento ideal de un lecho fluidizado. Uno de ellos, es el que se conoce como fragmentación del lecho, donde la fluidización es muy heterogénea y el tamaño de las burbujas formadas es considerable, de manera que existen zonas bien diferenciadas en el lecho (Figura 4.5 y 4.6). Cuando esto ocurre, las fluctuaciones son importantes y como consecuencia directa los valores de pérdida de presión registrados resultan muy erráticos. Otro fenómeno habitual es la formación de burbujas de elevado tamaño, que resultan de la coalescencia de otras y que se forman en la parte baja de la columna y van ascendiendo hasta la parte superior de la misma. Figura 4.5. Representación de un lecho fluidizado burbujeante y coalescencia de burbujas. Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO 134 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 4.6. Lecho con formación de una zona de aire ocluido en el seno del lecho. Cuando las fuerzas entre partículas del material en polvo son elevadas, las partículas no son capaces de lograr las separaciones necesarias aportadas por las fuerzas de fricción que ejerce el gas sobre las mismas, y no se consigue flotabilidad en la mayor parte del lecho, con lo cual no se produce la fluidización. Cuando este fenómeno ocurre no se forman burbujas propiamente dichas, sino que el gas forma canales a través del lecho de material en polvo. La pérdida de presión en todo el lecho es siempre inferior al peso aparente del mismo dividido por unidad de sección transversal. En consecuencia, la medición es muy variable y la información obtenida mediante la representación del parámetro QF frente a la velocidad superficial de gas muy confusa. En este caso, es necesario dotar al equipo de fluidización de agitadores mecánicos o vibradores que induzcan perturbaciones en el lecho y que impidan la formación de estos canales y mantengan una uniformidad más o menos constante en la columna. Cuando las partículas sometidas a fluidización presentan un tamaño muy bajo, (dp<20μm), y las fuerzas cohesivas son altas, pueden formarse rutas preferentes en las zonas de menor resistencia del lecho, formándose orificios en algunas partes, mientras que en las demás zonas el gas circula a una Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 135 velocidad muy baja. Estas corrientes preferentes son muy inestables y se mueven continuamente. Puede ocurrir también que la erosión mecánica provocada por la fricción entre las partículas genere partículas de muy baja granulometría que sean arrastradas por el gas circulante y salgan despedidas de la columna. Una solución para mejorar los posibles fenómenos no deseados descritos es añadir partículas más grandes, fácilmente fluidizables, lo que se traduce en que las fuerzas entre partículas disminuyen y se produce un cambio en la estructura general del lecho formándose una agitación localizada que conlleva a destruir los caminos preferenciales y los pequeños aglomerados formados. Las condiciones de la fluidización se pueden mejorar sensiblemente mediante el empleo de agente mecánicos de agitación o vibración que tienen un efecto similar y destruyen la formación de aglomerados sobre todo en materiales pulverulentos de tipo C (con tamaños de partícula pequeños y elevadas fuerzas de cohesión entre partículas). Los sistemas con agitación mecánica sometidos a una velocidad creciente de gas, presentan un comportamiento dinámico específico en función del valor de flujo de gas y de la velocidad de rotación del sistema de agitación. Se distinguen tres tipos característicos diferentes: estado denso, estado semifluidizado y estado fluidizado. - Estado denso: Su particularidad es que se forma un vórtice en un flujo turbulento con rotación en espiral y trayectorias cerradas en toda la superficie del lecho. - Estado semi-fluidizado: Donde coexisten dos fases diferenciadas, la primera representa un estado fluidizado y la segunda se caracteriza por una fase densa que se encuentra en rotación situada en la parte periférica del lecho. En estos fenómenos influye de manera importante la geometría y el tipo de paletas utilizadas en la agitación. Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO 136 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Otra característica de este estado es la evolución gradual de la pérdida de carga entre el estado denso y el estado fludizado. - Estado fluidizado: Caracterizado por una estructura uniforme de la fase de emulsión. El efecto de la pérdida de carga a velocidades altas permanece constante y muy próximo al valor teórico. 4 4. .2 2. .3 3 D DE ES SA AR RR RO OL LL LO O E EX XP PE ER RI IM ME EN NT TA AL L Para la caracterización mecánica y la medida de las propiedades de flujo de los 3 materiales estudiados (CA, MG, RE), se utilizó el dispositivo experimental mostrado en la Figura 4.7 que permitió determinar el límite elástico (σt) de cada material cohesivo por separado, así como su aptitud para la fluidización. Dicho equipo consta de 3 elementos principales:  COLUMNA DE FLUIDIZACIÓN.  CIRCUITO DE GAS.  SISTEMA INFORMATIZADO DE ADQUISICIÓN DE DATOS. Capítulo 4 ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE FLUJO AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 137 Figura 4.7. Equipo de fluidización empleado para los ensayos. El dispositivo experimental utilizado fue un reactor de fluidización piloto completamente equipado y controlado por un PC propiedad del Laboratoire de Technologie des Poudres et Suspensions, Université de Technologie de Compiègne (Francia) En la Figura 4.8 se detallan los elementos que constituyen este equipo experimental de medida que consta de una columna de fluidización, un circuito de alimentación de gas inerte, y un sistema automático de adquisición de datos. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL 240 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Las propiedades de deformación del material a ensayar, las condiciones del ensayo, la homogeneidad del compacto y la forma geométrica pueden tener un efecto importante en esta medida, por lo tanto es conveniente repetir las mismas condiciones para poder extraer medidas comparativas entre distintos materiales sin equívocos. A continuación, en la Figura 5.47, se muestran las variantes del ensayo de compresión en función de la posición del plano de fractura. a) ENSAYO DIAMETRAL (RADIAL) PLANO DE FRACTURA NORMAL A LA DIRECCIÓN DE CONSTRUCCIÓN DEL COMPACTO b) ENSAYO SIMPLE (AXIAL) PLANO DE FRACTURA PARALELO A LA DIRECCIÓN DE CONSTRUCCIÓN DEL COMPACTO Figura 5.47. Planos de fractura en un ensayo de compresión diametral de una probeta cilíndrica. Fuente: S. Galen, A. Zavaliangos -Acta Materialia53, 4801-4815 (2005). La resistencia a la fractura puede calcularse en función de la geometría de la probeta ensayada y la fuerza necesaria para producir el fallo. (Jain Sunil, 1999; Yus Aniza Yusof, 2005; Kasá, 2009). Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 241 La medida puede emplearse para determinar la resistencia radial a) y su valor dependerá de la siguiente relación para un compacto de geometría cilíndrica: 2 XFh D (E.5.17) En la ecuación anterior, σx representa la resistencia a la tensión, F expresa la fuerza necesaria para romper el compacto, D es el diámetro de la probeta cilíndrica y h se corresponde con la altura del cilindro. La medida de la resistencia radial es más sensible a variaciones debido a la propagación que experimenta a través de los defectos de la estructura del compacto. En función de la morfología de las partículas originales, y del modo en el que es construido el compacto, pueden aparecer planos localizados que propagarán los efectos de fallo. En la medida de la resistencia axial b) el compacto se rompe en un plano con orientación paralela al de la construcción del compacto. La determinación de la fuerza máxima requerida para causar la fractura se realiza mediante fatiga sobre el plano superior de la probeta y normalmente se emplean para la sujeción de la misma unos adaptadores. 2 4 ZF D (E.5.18) La ecuación 5.18 describe la resistencia axial en función de la fuerza necesaria F requerida para romper una probeta cilíndrica de diámetro D. Una comparación entre la resistencia radial y la resistencia axial nos proporciona una idea de la fuerza de cohesión en dos direcciones y de la tendencia de un material a sufrir laminación o formación de planos lo que originaría ruptura por capas. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL 242 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS La relación entre σx y σz proporciona una idea de la isotropía de los enlaces entre las partículas que conforman el compacto. Dicha isotropía favorece la resistencia puesto que indica la existencia de zonas localizadas de fácil fractura y puede mejorarse mediante la adición de componentes cuyas partículas puedan experimentar fragmentación y con valores altos del límite de elasticidad. La deformación elástica es un proceso reversible suponiendo que las partículas que presentan deformación elástica recuperan su forma original después de la compresión. El grado en que este hecho pueda producirse depende enormemente de la velocidad de compactación empleada siendo más acusado a velocidades altas. Sin embargo, el fenómeno de deformación plástica implica que las partículas de material pulverizado se deforman irreversiblemente durante la compresión y el de fragmentación que las partículas se fracturan. Los procesos de fragmentación ocurren mediante dos mecanismos bien diferenciados:  Aplastamiento en los puntos de contacto produciendo pequeños defectos.  Fractura de partículas debido a tensiones secundarias. Debido a la fragmentación, pueden originarse nuevos poros en el compacto así como fisuras o huecos entre las partículas de nueva formación. Por lo tanto, en el caso de materiales que experimenten fragmentación se generan nuevas distribuciones de porosidad. Para la penetración de agua en el interior de los compactos y su posterior desintegración, la porosidad será también un factor clave pues el agua entra a través de los poros de su estructura. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 243 5 5. .8 8. .2 2 E ES ST TU UD DI IO O C CO OM MP PA AR RA AT TI IV VO O En todos los ensayos experimentales llevados a cabo se inició la compactación con un volumen fijo de material pulverizado independientemente de su naturaleza, si bien, debido a su diferente densidad aparente la cantidad y la relación de volúmenes en las mezclas fue dispar. En la Figura 5.48 se muestra el aspecto de los compactos obtenidos para los 3 carbonatos ensayados. El aspecto más achatado del compacto construido con el material RE se debe fundamentalmente a su morfología y menor relación h/D inicial. Figura 5.48. Aspecto de los compactos obtenidos para los 3 carbonatos. Con el objetivo de realizar análisis comparativos representativos de la resistencia de los compactos construidos, se diseño una especie de molde metálico en el que se coloca el compacto y mediante la acción de un pistón se traspasa completamente el mismo. Con la ayuda de una prensa hidráulica acoplada dotada de un sistema de medida del desplazamiento y la fuerza ejercida se registran las curvas de rotura de cada material. Este dispositivo proporciona información relacionada con la fuerza de los enlaces y la estructura del compacto y es una variante de los métodos clásicos de compresión radial o axial. La prensa uniaxial utilizada para dicho experimento fue un modelo Z010 de Zwick que emplea una célula de carga de 10 kN propiedad del iPAT, TUBS (Universidad Técnica de Braunschweig). Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL 244 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Este test resulta especialmente apropiado debido a la geometría de la probeta (bajo valor de h), y proporciona el valor real de la resistencia en el centro geométrico de la muestra además de ser un método rápido, sencillo y reproducible. En la siguiente fotografía (Figura.5.49) se muestra la disposición del sistema de medida completo y el detalle de la pieza metálica empleada para la medida. Figura 5.49. Dispositivo empleado para la rotura de los compactos formados acoplado a la prensa de ensayo de materiales Zwick. El compacto se coloca en el interior de un orificio de 10 mm de diámetro insertado en una lámina metálica construida en acero. Dicha lámina se inserta en otra pieza metálica encajando en una abertura diseñada para tal efecto. Una vez el compacto se encuentra perfectamente situado en el centro se hace descender progresivamente un pistón de 4 mm de diámetro mediante el empuje proporcionado por la prensa uniaxial y se realizan lecturas de la fuerza ejercida a una velocidad de 1 mm/min. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 245 En el siguiente Figura 5.50 se muestran unos dibujos esquemáticos del diseño del dispositivo empleado para medir las resistencia de las probetas cilíndricas construidas. P. García-Triñanes et al. Powder Technology Vol. 204 (1) 124-130 (2010) (Dimensiones en mm) Figura 5.50. Esquema y dimensiones del dispositivo empleado para la rotura de los compactos formados. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL 246 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS A continuación, la figura 5.51 muestra los perfiles fuerza-desplazamiento obtenidos en este trabajo en los ensayos de ruptura del compacto formado por carbonato CA. Figura 5.51. Perfiles fuerza-desplazamiento obtenidos durante el proceso de fractura de los compactos de CA. El análisis de dichos perfiles hace suponer que el primer pico que aparece tiene relación con la resistencia del material hasta su fractura, posteriormente el siguiente pico prolongado se debe al desplazamiento del pistón y la resistencia propiamente dicha que ofrece el material en su recorrido. En la siguiente fotografía (Figura 5.52) puede apreciarse un compacto, fabricado con el carbonato CA, tras haber sido perforado en uno de los ensayos para determinar su resistencia. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 247 Figura 5.52. Aspecto del compacto una vez realizado el ensayo de resistencia. Las fracturas que se observan en la dirección radial son el resultado del paso del pistón a través del compacto lo que origina un orificio central y, en ocasiones, facturas radiales debido a las tensiones producidas. La figura 5.53 muestra los perfiles correspondientes al ensayo de resistencia llevado a cabo con los compactos fabricados a partir del carbonato MG. Figura 5.53. Perfiles fuerza-desplazamiento obtenidos durante el proceso de fractura de los compactos de MG. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL 248 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Por último, en la Figura 5.54 se muestran las curvas fuerza-desplazamiento obtenidas para el material RE. Debido a la naturaleza frágil de este material el pico máximo correspondiente no es tan prolongado y se produce una fractura mucho más limpia que en los casos previos de los materiales CA y MG. Figura 5.54. Perfiles fuerza-desplazamiento obtenidos durante el proceso de fractura de los compactos de RE. En las siguientes fotografías tomadas mediante Microscopía Electrónica de Barrido se ilustran los planos de ruptura y la textura a nivel microscópico de los materiales fabricados en origen a la presión máxima de trabajo de 509 MPa. La Figura 5.55 se corresponde con la muestra de carbonato CA, mientras que la Figura 5.56 se identifica con la muestra de carbonato MG y la Figura 5.57 se corresponde con la muestra de carbonato RE. Los niveles de porosidad alcanzados en cada caso son 6,65 % para el carbonato CA, 25,54 % para el carbonato MG y 19,85 % para el carbonato RE. Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 249 Figura 5.55 Micrografías obtenidas por microscopía electrónica de barrido de superficies de fractura de compactos de CA (ε= 6,65). Figura 5.56. Micrografías obtenidas por microscopía electrónica de barrido de superficies de fractura de compactos de MG (ε= 25,54). Figura 5.57. Micrografías obtenidas por microscopía electrónica de barrido de superficies de fractura de compactos de RE (ε= 19,85). Capítulo 5 COMPORTAMIENTO BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL 256 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS El máximo de dicha curva se traslada desde 15 μm hasta 3 μm y el porcentaje de partículas menores de 2 μm aumenta de 12 a 22%. Al ejercerse una compresión sobre las láminas éstas se fracturan más fácilmente. Por el contrario, cuando se ejerce la misma presión sobre un material granular, la tensión necesaria para producir su fragmentación es mucho mayor. C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 6 6: : Experimentación con prensa de rodillos Se describen los experimentos de compactación llevados a cabo mediante un equipo de laminación adaptado especialmente para realizar ensayos con los materiales estudiados. 6.1 JUSTIFICACIÓN 261 6.2 DESARROLLO EXPERIMENTAL 267 6.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS 271 C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 6 6: : E EX XP PE ER RI IM ME EN NT TA AC CI IÓ ÓN N C CO ON N P PR RE EN NS SA A D DE E R RO OD DI IL LL LO OS S Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 261 6 6. .1 1 J JU US ST TI IF FI IC CA AC CI IÓ ÓN N La compactación entre rodillos es aparentemente un proceso simple pero los fundamentos del mecanismo resultan complejos debido a su dependencia con respecto a las propiedades del material y el gran número de parámetros relacionados con el equipo (Freitag, 2003; Feng, 2006). El material pulverizado se introduce entre dos rodillos cuyo sentido de rotación es opuesto. La velocidad de rotación de ambos rodillos debe ser la misma, pues, una diferencia entre sus respectivas velocidades puede conducir al desgaste de los mismos y al desarrollo de fuerzas de cizalla en el seno del material pulverizado a compactar. Dichas fuerzas provocarán defectos y fisuras en la estructura y, en caso de ser de elevada magnitud, producirán la ruptura y destrucción del compacto. El material a compactar, mediante fuerzas de rozamiento, ha de pasar a través de la zona de estrechamiento en donde se produce mayor tensión y posteriormente se produce una plaqueta a la salida de la prensa tal y como puede observarse en la figura ilustrativa 6.1. Figura 6.1. Proceso de compactación entre rodillos: Zonas de paso de un material pulverizado. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS 262 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS De acuerdo con Johanson (1965) el dimensionado de una prensa de rodillos se determina teniendo en cuenta la capacidad de producción, C, de la instalación expresada en t/h: 6 60 10 C r C G hV D (E.6.1) donde D representa el diámetro en cm de los rodillos, G la generatriz de cada rodillo expresada en cm, h la distancia entre rodillos en cm, Vr la velocidad de rotación de los rodillos expresada en rpm y ρc la densidad aparente del compacto expresada en g/cm3. Se pueden expresar los flujos másicos para dos puntos diferentes representados en el eje de abscisas x1 y x2, según la siguiente igualdad: 1 1 1 2 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) XX x h x V x x h x V x (E.6.2) h(x) representa la distancia entre rodillos en los puntos x1 y x2. En la figura 6.2 se esquematizan la velocidad axial Vx (x) y la densidad aparente ρ(x) en función de la posición. Figura 6.2. Conservación de la materia en el espacio entre rodillos. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 263 A partir de la ecuación anterior se puede determinar la densidad aparente de un compacto en un punto determinado (x) en función de la velocidad axial que presente en ese punto. ( ) ( ) 11 ( ) ( ) 1( ) ( ) hx V x X xxh x x VX (E.6.3) La influencia de los parámetros de operación y de las propiedades del material a compactar se resumen en el siguiente infográfico de la Figura 6.3. Figura 6.3. Aspectos a considerar en la compactación entre rodillos. La presión normal sobre la superficie de los rodillos depende directamente de la velocidad de rotación, del hueco entre rodillos y de la presión de precompactación (Friedrich, 2003; Simon, 2003). El conocimiento de los parámetros de operación permitirá el ajuste de las condiciones para la instalación de un equipo industrial para la producción deseada, así como, de las características y la optimización del diseño del sistema de alimentación del material. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS 264 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Las propiedades y variables a tener en cuenta para que un sistema de compactación entre rodillos sea eficaz se resumen en la tabla siguiente: Tabla 6.1. Parámetros más importantes de los que depende la compactación entre rodillos. Material Equipo Comportamiento en densificación Dimensiones de los rodillos Propiedades de flujo del material Superficie de los rodillos Propiedades elásticas Presión entre rodillos Compresibilidad Hueco entre rodillos Permeabilidad Velocidad de rotación Propiedades de fricción Método de alimentación Distribución del tamaño de partícula Método de eliminación de aire La mayor parte de los problemas relacionados con la tecnología de compactación están ligados con la eliminación de la fase gaseosa que incorpora el material pulverizado. Una gran parte del aire contenido se elimina durante el proceso de formación del compacto y este aire se escapa a contracorriente con la alimentación de material a la prensa lo que representa un serio inconveniente, sobre todo cuando se procesan sólidos de muy baja granulometría. Una desventaja adicional es el hecho de que el aire atrapado en el seno del compacto formado pueda liberarse una vez cese la aplicación de presión a la salida de la prensa conduciendo a su ruptura o destrucción debido a la diferencia de presiones entre la presión atmosférica y la presión que adopta el aire en el interior del compacto. Por lo tanto, el éxito de la operación de compactación entre rodillos, depende en gran medida de la eficacia del sistema de alimentación, que deberá asegurar un flujo uniforme y continuo de material entre ambos rodillos (Guigon, 2003). Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 265 En la tecnología de prensas de rodillos se emplean habitualmente los sistemas de alimentación forzada cuando quieren compactarse materiales cohesivos o con un alto contenido en aire en su seno puesto que sus propiedades de flujo no son lo suficientemente buenas. La Figura 6.4 muestra las distintas configuraciones más empleadas en los sistemas de alimentación forzada de prensas de rodillos. Figura 6.4. Diferentes configuraciones de los sistemas de alimentación. En la Figura 6.5 pueden verse los casos más comunes y las propiedades de las placas obtenidas en función de la distancia entre rodillos (Petit-Renaud, 1998). Existe un intervalo de variación aceptable para obtener compactos sin defectos comprendido entre [hmax, hmin], siendo h la distancia entre los rodillos. El caso (1) se obtiene para un valor de la distancia entre rodillos demasiado elevada (hmax). En estas condiciones el material abandona la prensa en forma de material pulverizado sin compactar o de semiplacas con cierta curvatura Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS 272 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS A pesar de que el hueco entre rodillos se fija en 0,10 mm el espesor de la lámina formada bajo las condiciones de operación empleadas varía entre 1,1 y 1,3 mm. Esta diferencia se debe fundamentalmente a que, bajo la acción de una tensión, el hueco entre rodillos cambia pues se produce una deformación elástica en la superficie de los rodillos y una deformación temporal en los rodamientos. Por otra parte, una vez se cesa la aplicación de la tensión entre rodillos, se produce una recuperación elástica en las partículas que forman las láminas y una expansión del aire ocluido en los poros del compacto. En la figura 6.10 se representan los resultados obtenidos para la variación de los dos parámetros de ajuste (hueco entre rodillos y presión del sistema de alimentación) y su influencia en el porcentaje de láminas formado. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 020 40 60 80 100 % Lámina formada Presión sistema alimentación (kPa) 0,10 mm 0,15 mm Figura 6.10. Porcentaje de lámina formada en función de la presión de alimentación empleada y el hueco inicial entre rodillos para el material. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 273 A continuación, se resumen los resultados obtenidos para el material MG en los ensayos de compactación. La Tablas 6.3 resume los valores obtenidos para dicho material para una apertura de 0,10 y 0,15 mm respectivamente. Tabla 6.3. Resultados obtenidos para MG con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 3 cm. Distancia entre rodillos 0,10 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 25 29,2 2,95 1,2 Muy deficiente 35 32,8 3,50 1,2 Deficiente 40 36,5 3,60 1,2 Deficiente 50 38,3 4,20 1,1 Deficiente Distancia entre rodillos 0,15 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 25 43,7 3,10 1,3 Regular 35 49,2 3,35 1,2 Deficiente, quebradiza 40 54,6 3,45 1,2 Deficiente, quebradiza 50 57,4 3,55 1,1 Deficiente, quebradiza El comportamiento del material MG en compactación es bastante deficiente, siendo necesarias altas presiones sobre la alimentación para poder conseguir formar una lamina y ésta resulta fácilmente quebradiza y con defectos en su estructura. Estos resultados observados concuerdan con todo lo determinado en este trabajo para el carbonato de magnesio MG, pues, debido a su composición, morfología y composición química no presenta un comportamiento en compactación aceptable y es necesario emplear mezclas con otros materiales o el empleo de ligantes para obtener resultados aceptables. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS 274 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Los rendimientos de los experimentos llevadas a cabo con el material RE se muestran en la Tabla 6.4 para valores de la distancia entre rodillos de 0,10 y 0,15 mm respectivamente. Tabla 6.4. Resultados obtenidos para RE con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 3 cm. Distancia entre rodillos 0,10 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 25 32,8 3,3 1,3 Regular 35 34,6 3,4 1,3 Regular 40 36,5 3,6 1,2 Quebradiza 50 40,1 4,3 1,1 Quebradiza Distancia entre rodillos 0,15 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 25 49,2 3,0 1,5 Regular 35 51,9 3,3 1,4 Deficiente, quebradiza 40 54,7 3,4 1,4 Deficiente, quebradiza 50 60,2 3,7 1,3 Deficiente, quebradiza Debido a su mayor carácter elástico las láminas de material RE presentan un mayor espesor que las de los materiales CA y MG tratados en idénticas condiciones. La presión necesaria para obtener los mismos resultados que en el caso del material CA se advierte mayor. Las presiones en el sistema de alimentación son ligeramente superiores a las empleadas para un orificio de alimentación de 3 cm para poder obtener láminas de buenas condiciones y garantizar un flujo de entrada uniforme. En la Tabla 6.5 se muestran los resultados obtenidos para el material CA con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm respectivamente y un orificio de entrada de 4 cm. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 275 Tabla 6.5. Resultados obtenidos para CA con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 4 cm. Distancia entre rodillos 0,10 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción (kg/h) Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 45 51,5 3,65 1,3 Muy bueno 55 56,4 4,05 1,2 Bueno 65 58,9 4,15 1,2 Bueno 75 61,4 4,25 1,1 Regular-Malo Distancia entre rodillos 0,15 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 45 77,3 3,10 1,3 Regular 55 84,6 3,35 1,3 Deficiente, quebradiza 65 88,4 3,45 1,2 Deficiente, quebradiza 75 92,0 3,55 1,2 Deficiente, quebradiza Un aumento en la presión de alimentación conduce a buenos resultados en las láminas obtenidas que presentan una anchura de entre 3,6 y 3,7 cm. Se produce una eliminación de aire por los extremos del sistema de alimentación que conduce a diversas fisuras en los extremos de la lámina formada. Sin embargo, debido al mayor diámetro del sistema de alimentación se produce un mayor rozamiento entre la superficie de los rodillos y el material a compactar lo que retarda el flujo de entrada de material entre los rodillos y, en consecuencia, la producción de lámina es más discontinua. Cuando el orificio de alimentación equivale a 4 cm el ángulo de incidencia en la entrada de material pulverizado es mayor y la entrada de material debe ser también mayor para garantizar una buena compactación. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS 276 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Sin embargo, si la velocidad de alimentación de material es muy elevada puede llegar a saturarse el hueco entre los rodillos y este efecto dispara el consumo eléctrico del equipo de compactación y la lámina sufre tensiones elevadas lo que provoca fisuras considerables. En la Tabla 6.6 se muestran los valores obtenidos para el material MG empleando una apertura entre rodillos de 0,10 mm y un orificio de entrada de 4 cm de diámetro. Tabla 6.6. Resultados obtenidos para MG con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 4 cm. Distancia entre rodillos 0,10 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 45 39,3 2,95 1,2 Muy deficiente 55 44,2 3,50 1,2 Deficiente 65 49,1 3,60 1,2 Deficiente 75 51,5 4,00 1,1 Regular Distancia entre rodillos 0,15 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 45 58,9 3,10 1,3 Regular 55 66,3 3,35 1,3 Deficiente, quebradiza 65 73,6 3,45 1,2 Deficiente, quebradiza 75 77,3 3,55 1,2 Deficiente, quebradiza En estas condiciones, las láminas que se han obtenido son de baja calidad y presentan buenos valores de densidad únicamente cuando la presión empleada en el sistema de alimentación es elevada y garantiza un flujo de material uniforme. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 277 La explicación de estos resultados probablemente se encuentra en las malas propiedades de flujo que presenta este material y la gran cantidad de aire que contiene en su seno, lo que dificulta la operación de compactación entre los rodillos. Cuando se emplean valores más elevados para la apertura entre rodillos los resultados que se obtienen son de peor calidad puesto que no se alcanza el grado de densificación esperado y la producción de finos es elevada. La Tabla 6.7 muestra los resultados obtenidos cuando el carbonato empleado en compactación fue es RE. Tabla 6.7. Resultados obtenidos para RE con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm un orificio de entrada de 4 cm. Distancia entre rodillos 0,10 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 45 44,2 3,3 1,3 Regular 55 46,6 3,4 1,3 Regular 65 49,1 3,6 1,2 Quebradiza 75 54,0 4,0 1,1 Quebradiza Distancia entre rodillos 0,15 mm Presión sistema de alimentación (kPa) Producción kg/h Consumo (A) Espesor lámina (mm) Aspecto 45 66,3 3,0 1,5 Deficiente 55 69,9 3,3 1,5 Deficiente, quebradiza 65 73,6 3,4 1,4 Deficiente, quebradiza 75 81,0 3,7 1,2 Buena Los ensayos llevados a cabo no hacen sino confirmar los resultados obtenidos en la compactación axial de estos materiales y ofrecen una aproximación en relación con las presiones de trabajo en la alimentación del material y su influencia en el resultado final. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS 278 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Como puede observarse los valores de producción teórica son considerablemente altos pues son función del mayor volumen útil a emplear en la producción de láminas. Los valores obtenidos para el consumo del equipo son menores de lo esperado, puesto que gran cantidad de material en polvo se cuela entre el hueco de separación entre los rodillos y sale del equipo sin compactarse lo que resulta en una lámina de mala calidad, pues, una mayor apertura entre los rodillos tiene como consecuencia una disminución en la presión aplicada. Para obtener una buena compactación será necesario compensar este descenso con un aumento en la presión de alimentación y un sistema que garantice un flujo continuo de material alimentado entre rodillos. Por lo que respecta al material RE, las láminas formadas tienen buen aspecto en general llegando, en las mejores condiciones, a presentar una estructura compacta y de elevada resistencia en comparación con los materiales CA y MG. Se obtienen buenos resultados en las láminas para presiones de trabajo en la alimentación superiores de 75 kPa. Un ejemplo de estas láminas puede verse en la siguiente fotografía (Figura 6.11). Figura 6.11. Láminas de material RE obtenidas en operación discontinua con un orificio de entrada de alimentación de 3 cm. Capítulo 6 EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR CON PRENSA DE RODILLOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 279 Las láminas obtenidas son de buena calidad a pesar de que presentan microfisuras consecuencia probablemente de la expansión del aire atrapado y de la elasticidad del material. Los materiales CA y RE ofrecen un buen comportamiento en compactación en un amplio rango de presiones en el sistema de alimentación mientras que el material MG resulta muy difícil de laminar mediante este procedimiento, siendo necesarias mayores presiones de trabajo para resultados poco satisfactorios. Las propiedades más frágiles del material RE compactado hacen que las láminas presenten gran cantidad de fisuras y defectos en su conjunto pero las partes compactadas presentan mayor dureza. C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 7 7: : Discusión de resultados Se analizan las relaciones existentes entre los resultados obtenidos en los capítulos precedentes y se comparan resaltando las aportaciones prácticas derivadas del trabajo experimental realizado y se ponen de manifiesto las limitaciones y los aspectos no resueltos. Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 288 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Del mismo modo, el carbonato MG aparece aquí como el de menor densidad relativa siendo necesario mayor trabajo de compresión lo que confirma la poca eficacia práctica de este material en el proceso de compactación. El material RE presenta una situación intermedia entre los otros dos carbonatos analizados alcanzándose una densidad relativa de 0,8 a altas presiones (509 MPa). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 NCW Densidad relativa CA MG RE La cantidad de trabajo requerido en el proceso de compactación es un indicador de la resitencia mecánica de los compactos que se forman. Los resultados observados demuestran que en el caso del carbonato CA se requiere un trabajo mucho menor para producir la deformación plástica de las partículas y una densidad relativa elevada. Esta afirmación se corrobora cuando se analizan los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia mecánica en el apartado 5.8. Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 289 Conviene recordar que una cierta porosidad residual en el compacto obtenido es interesante pues, la reactividad conjugada con una resistencia aceptable cumpliría los objetivos deseados para el transporte, el almacenamiento y la mecanización. La porosidad final determinará la facilidad con la que el agua penetraría en la estructura del aglomerado formado. En esta línea, la estructura porosa de la superficie del aglomerado permite la penetración de agua rápidamente favoreciendo la humectación de todas las superficies de los granos individuales. Cuando se analiza el efecto del tamaño de partícula sobre los mecanismos de compactación implicados para los carbonatos empleados en este estudio se observa que, a una cierta presión, las partículas de mayor tamaño se rompen con mayor facilidad y, de manera simultánea, las partículas fracturadas pueden reorganizarse más fácilmente, abandonando los huecos de mayor tamaño entre partículas. En contraposición, se requieren presiones más elevadas para romper las partículas más pequeñas, debido a que a presiones de compactación bajas la movilidad de estas partículas es muy reducida, lo que resulta en menores densidades de empaquetamiento (Djuric, 1995). La identificación de los mecanismos implicados en el proceso de compactación se llevó a cabo empleando 3 modelos diferentes: Heckel, Kawakita y CooperEaton. De las representaciones del modelo de Heckel se obtuvieron analíticamente los valores de la presión medida de deformación “Py” como indicador de la plasticidad de los carbonatos estudiados. La transición de la primera zona curva a bajos valores de P (primera etapa de la compactación) a la zona lineal (segunda etapa de la compactación) se relaciona con la mínima presión requerida para formar un compacto. Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 290 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Precisamente de esta zona lineal se obtiene el valor de la presión media de deformación. En todos los casos los valores obtenidos para Py concuerdan con lo esperado según los datos bibliográficos para materiales frágiles y duros (Roberts, 1987). El menor valor obtenido fue para el carbonato CA lo que sirve como comprobación del mecanismo de deformación plástica que sigue dicho carbonato. En el caso del carbonato de origen marino (RE), el valor de la presión media de deformación evidencia que puede existir fragmentación de las partículas primarias. Un análisis del tamaño de partícula tras el proceso de compresión uniaxial o un aumento de la superficie específica de las partículas debería corroborar firmemente esta suposición. El valor considerablemente alto de Py obtenido al analizar el carbonato MG es resultado de la presencia de MgO y de SiO2 que confieren mayor dureza de la que corresponde al MgCO3 en comparación con el CaCO3. Este argumento unido al mayor valor de superficie específica (casi el triple con respecto a CA y RE), y al menor tamaño medio de partículas del material MG condicionan, sin lugar a dudas, la peor tendencia de este carbonato a ser aglomerado pues, su propensión a la deformación es menor, dado que el valor del límite de elasticidad obtenido es mayor. La transición entre el tramo recto asociado a la segunda etapa de compactación y la zona en la que comienza a elevarse la curva se asocia al comportamiento frágil a presiones elevadas. Cuanto mayor sea la pendiente de esta tercera etapa, mayor será el comportamiento frágil y mayor resultará el carácter plástico del compacto. El modelo de Kawakita se empleó en este estudio con el fin de comprobar los resultados obtenidos mediante el modelo de Heckel. Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 291 El grado de reducción de volumen representado en este modelo por el parámetro C es, en todo el rango de presiones, mayor para el material RE. Tal y como se ha mencionado anteriormente, esto es válido a bajas presiones en el proceso de reordenamiento de las partículas. Por otro lado, el material MG presenta un valor del parámetro b-1 considerablemente mayor con respecto, tanto a CA como a MG, lo que confirma su mayor límite de elasticidad. Paralelamente, se empleó el modelo de Cooper-Eaton para diferenciar las etapas de reordenamiento-empaquetamiento y deformación plástica. Esto es posible porque dicho modelo sostiene que el proceso de compresión tiene lugar en dos etapas según una exponencial decreciente. Según los valores obtenidos para las constantes de dicho modelo, k3 y k4, la etapa de reordenamiento se produce en torno a 50 kPa en el caso del material MG, valor considerablemente más elevado que para los otros dos carbonatos. En la explicación a este suceso influyen, sin duda, factores morfológicos y de tamaño de partícula, ya mencionados con anterioridad. Por otro lado, se confirma que para el material RE el proceso de deformación comienza a presiones más bajas, seguramente debido a la existencia de una fase de fragmentación. En todos los casos, el valor de la constante C1 es mayor que C2 lo que nos indica claramente que el proceso de reorganización de las partículas tiene más relevancia que la deformación de las partículas en las etapas de compresión (Tabla 5.7). Según los datos obtenidos, el carbonato RE presenta un índice de compresibilidad mayor a bajas presiones seguramente favorecido, como se ha venido indicando, por la morfología laminar de este material. El estudio del comportamiento de mezclas binarias de los tres carbonatos se abordó sobre distintas formulaciones variando el contenido de cada uno de ellos. La finalidad principal fue la hipótesis de comprobar si se pueden complementar las características físicas y químicas de los carbonatos con el objetivo de mejorar su comportamiento en compactación. Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 292 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS El resultado más significativo obtenido en este apartado fue que la adición de carbonato RE en mezclas con MG o con CA disminuye el trabajo necesario, expresado en J/g, y se obtienen compactos de mejor calidad, aumentando en cierta medida el comportamiento elástico de la mezcla de pulverizados. Como era de esperar, a medida que aumenta la proporción de RE en las mezclas aumenta también el factor de compresibilidad de las mismas. Se postula que existe cierto grado de fragmentación en las partículas primarias de dichas mezclas, lo que, unido al amplio rango de tamaños de partícula empleado favorece las etapas de compactación por oclusión de huecos entre partículas. Sin embargo, se produce una reducción del correspondiente trabajo de compactación específico cuando se analizan las mezclas binarias entre MG y RE, pues, conforme aumenta la adición de carbonato cálcico de origen marino (RE) a la mezcla es evidente un aumento del grado de cohesión entre partículas. Es probable que las propiedades de mezclas más complejas no sean simplemente una adición de las propiedades de los componentes individuales por lo que sería interesante determinar, mediante análisis de las presiones medias de deformación o de la resistencia mecánica, posibles efectos sinérgicos. La posibilidad de incorporar sulfato de calcio hidratado (CaSO4·1/2H2O) como aditivo para mejorar la compresibilidad de los carbonatos estudiados se llevó a cabo mediante mezclas al 15% en peso de sulfato. En todos los casos se analizó el efecto de la adición de dicho ligante sólido en base a los parámetros de la ecuación de Kawakita (a y 1/b). De los resultados obtenidos se concluye que existe una correlación entre dichos parámetros y la compresibilidad de los carbonatos, lo que debe traducirse en una mejora de la densidad relativa de los compactos obtenidos. Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 293 La evaluación de las propiedades mecánicas de los compactos formados se llevó a cabo mediante un método especialmente diseñado de acuerdo con la geometría cilíndrica de las probetas obtenidas de manera que se determina la resistencia al paso de un pistón que atraviesa el centro del compacto. Este método elimina las posibles diferencias a las que puedan dar lugar los distintos gradientes de densidad que se crean por el rozamiento del material pulverizado con las paredes del molde metálico y minimiza el efecto de la disparidad en la relación h/D (altura/diámetro) de los compactos. Por tratarse de un método comparativo, se somete a todas las muestras al mismo protocolo experimental y se comparan los valores obtenidos mediante el análisis de los perfiles de ruptura obtenidos en cada caso y que fueron representados en la Figuras 5.51, 5.53 y 5.54. El primer pico se corresponde con la fractura de los materiales y su perfil es el típico de un material frágil. En el caso del carbonato CA, ofrece mayor resistencia al paso del pistón a su través debido a la mayor intensidad de los enlaces formados entre partículas. En la siguiente figura se observan las diferencias en la resistencia observadas en los compactos construidos a una presión de 255 MPa. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 5 Fuerza Aplicada (N) Desplazamiento (mm) CA MG RE Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 294 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS El compacto de aglomerado a partir de carbonato CA ejerce una resistencia al paso del pistón del equipo de ensayo que duplica la ejercida por el material RE y es el triple de la ejercida por el compacto fabricado con carbonato (MG). Las fotografías obtenidas mediante SEM, de los compactos fabricados a una presión de 509 MPa evidencian la fractura de los gránulos y la escasa porosidad que presenta el carbonato CA. (Figura 5.55) Sin embargo, en los compactos de material MG puede verse la mayor cantidad de huecos entre los gránulos o incluso grietas lo que evidencia una menor cohesión entre las partículas de carbonato de magnesio tal y como se advierte en la representación de la densidad relativa frente a la presión de consolidación. (Figura 5.56) La Figura 5.57 muestra de nuevo el carácter laminar de las partículas del carbonato de origen marino RE. La fractura intergranular pone en evidencia el marcado carácter frágil de este material. En todos los casos, el material CA presenta mayor resistencia como lo demuestra la mayor pendiente que presenta la representación de la resistencia con la variación de la presión de consolidación. (Figura 5.58). Finalmente, en el capítulo 6, se someten los materiales por separado a un ensayo experimental en un equipo de compactación mediante rodillos lisos. El material CA puede compactarse en un equipo de prensa de rodillos empleando una fuerza de compresión de 12 kN por cada centímetro lineal de generatriz. Para lograr buenos resultados en las plaquetas formadas es necesaria una presión en la zona de alimentación de 45 kPa para favorecer el flujo y garantizar la alimentación continua. El aumento del hueco de alimentación entre rodillos influye de manera negativa pues, se confirma el efecto perjudicial que tiene sobre la eficiencia del proceso. Capítulo 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 295 La primera etapa depende fundamentalmente de los efectos de fricción entre partículas del material granular y la zona de densificación está influenciada mayormente por las características de compresibilidad y el comportamiento plástico del material. Por este motivo, el carbonato CA ofrece mejores resultados con respecto a los otros dos carbonatos ensayados. El aspecto de las plaquetas obtenidas mediante compresión entre rodillos revela unos resultados similares a los obtenidos mediante compresión uniaxial pues, de manera análoga, el carbonato MG aparece como el de peor resistencia y requiere el reciclado de los rechazos formados para que actúen como núcleos de formación de aglomerados en la siguiente etapa. Con respecto al carbonato RE cabe señalar que sería interesante el estudio de mezclas con otros materiales (mezclas CA/RE, yeso u otros ligantes inorgánicos u orgánicos) que compensen el elevado carácter elástico que posee, lo que muy probablemente, mejorará su resistencia. Conviene añadir que la densidad no es el único factor que contribuye a la resistencia mecánica de los aglomerados formados a nivel microscópico pues, las diversas etapas de formación del compacto, donde tiene marcada influencia la velocidad de rotación de los rodillos, que recordemos, en este experimento se mantuvo constante, condiciona el resultado macroscópico final y, por lo tanto, las propiedades del producto final. La estabilidad y resistencia de las plaquetas que se forman dependen además de las propiedades de cohesión y la eficacia del mecanismo de deformación plástica que gobierna el proceso, de las posibles grietas o fisuras generadas debido al desgaste. C CA AP PÍ ÍT TU UL LO O 8 8: : Conclusiones Se enfatiza el alcance del estudio experimental llevado a cabo y se exponen las reflexiones de mayor trascendencia y los puntos principales de la tesis. Capítulo 9 BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 305 R RE EF FE ER RE EN NC CI IA AS S B BI IB BL LI IO OG GR RÁ ÁF FI IC CA AS S Abdullah E.C., Geldart D. (1999) The use of bulk density measurements as flowability indicators. Powder Technology. 102, 151–165 Abhaykumar B. (2006) Correlation between physical properties and flowability indicators for fine powders. M.S. Thesis. University of Saskatchewan (Canada). Amale N. (1996) Etude de la fluidisation agitée des poudres fines. Thèse de doctorat. Université de Technologie de Compiègne. Antikainen O.K., Yliruusi J.K. (1997) New parameters derived from tablet compression curves. Part II. Force-Displacement Curve. Drug Development and Industrial Pharmacy. 23 (1), 81-93 Anuario de Acuicultura. Consellería de Pesca e Asuntos Marítimos. Xunta de Galicia. (2007) Bacher C. et al. (2008) Compressibility and compactibility of granules produced by wet and dry granulation. 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Esquema conceptual de los campos de estudio de la tesis doctoral ............................................................................... 26 C Ca ap pí ít tu ul lo o 2 2 Figura 2.1. Aspecto de gránulos formados mediante procesos de aglomeración de partículas a partir de partículas individuales. ................................................................................. 35 Figura 2.2. Diferentes mecanismos de enlace en procesos de aglomeración: .............................................................................. 41 Figura 2.3. Representación del test de medida de resistencia de un compacto cilíndrico: -radial (izquierda) y axial (derecha)- ........... 45 Figura 2.4. Sistemas de aglomeración con agitación. ................................. 50 Figura 2.5. Mecanismos de crecimiento de gránulo en la tecnología húmeda de granulación. .............................................................. 51 Figura 2.6. Equipos de compactación entre rodillos y sus elementos constitutivos. ................................................................................ 54 Figura 2.7. Esquema de un equipo compactación con sistema de N2 gas acoplado. .............................................................................. 56 Figura 2.8. Distintos productos obtenidos mediante aglomeración por briqueteado de materiales pulverizados a elevada presión. ........................................................................................ 56 Figura 2.9. Plaquetas obtenidas a partir de carbonato cálcico mediante compresión entre rodillos moleteados. ........................ 57 ANEXOS 322 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 2.10. Etapas de un proceso de compactación en función de la presión aplicada. ...................................................................... 58 Figura 2.11.Tipos de extrusores de gravedad. ............................................ 60 Figura 2.12. Pellets de residuos de madera obtenidos mediante extrusión. ..................................................................................... 61 Figura 2.13. Extrusor de tipo émbolo (ram). ................................................ 62 Figura 2.14. Diagrama de un proceso de extrusión. .................................... 63 Figura. 2.15. Imagen de distintos tamaños de gránulos de urea obtenidos mediante prilling. ......................................................... 64 Figura 2.16. Esquema de un proceso de obtención de gránulos mediante prilling. ......................................................................... 65 Figura 2.17. Esquema de un proceso de spray-drying. ............................... 67 Figura 2.18. Esquema de un proceso de prensado isostático en caliente (HIP). .............................................................................. 69 Figura 2.19. Etapas de un proceso de sinterización de cobre. .................... 70 Figura 2.20. Interacción de factores en un proceso de compactación. ........ 71 Figura 2.21. Diagrama de flujo tipo de un proceso de granulación mediante tecnología húmeda. ..................................................... 74 Figura 2.22. Diagrama de flujo tipo de un proceso de compactación mediante una prensa de rodillos.................................................. 75 Figura 2.23. Diagrama de flujo de un proceso de compactación con varios silos de materias primas ................................................... 77 C Ca ap pí ít tu ul lo o 3 3 Figura 3.1. Imagen del picnómetro Accupyc 1330 utilizado. ....................... 83 Figura 3.2. Modelo de la serie Gemini de Micromeritics utilizado para la determinación del área superficial. .......................................... 87 Figura 3.3. Difractómetro láser Mastersizer X empleado para analizar el tamaño de partícula de las muestras. ........................ 91 Figura 3.4. Descripción del recorrido del haz de láser en un difractómetro Mastersizer X. ........................................................ 92 ANEXOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 323 Figura 3.5. Diagrama de barras que expresa la diferencia entre los valores del coeficiente de dispersión del tamaño de partícula para los 3 materiales..................................................... 93 Figura 3.6. Distribución granulométrica obtenida para los 3 carbonatos ensayados. ............................................................... 94 Figura 3.7. Distribución acumulativa de tamaño de partícula para los 3 carbonatos ensayados. ............................................................ 94 Figura 3.8. Estructura tridimensional de la calcita ....................................... 96 Figura 3.9. Distancias interatómicas en un grupo carbonato. ...................... 97 Figura 3.10. Esquema representativo de la Ley de Bragg. .......................... 98 Figura 3.11. Difractograma correspondiente a la muestra “CA”. ............... 100 Figura 3.12. Difractograma correspondiente a la muestra “MG”. ............... 101 Figura 3.13. Difractograma correspondiente a la muestra “RE”. ............... 102 Figura 3.14. Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-6400. ............ 104 Figura 3.15. Imágenes obtenidas mediante SEM de la muestra “CA”. ...... 105 Figura 3.16. Imágenes obtenidas mediante SEM de la muestra “MG”. ......................................................................................... 106 Figura 3.17. Imágenes obtenidas mediante SEM de la muestra “RE” ....... 107 Figura 3.18. Esquema ilustrativo del ensayo de permeabilidad de Blaine. ....................................................................................... 109 Figura 3.19. Equipo medidor de densidad aparente DUAL TAP VOLUMETER. ........................................................................... 112 Figura 3.20. Densidad aparente en función de la compactación. .............. 113 Figura 3.21. Gráfico de valores obtenidos experimentalmente para el índice de Hausner. .................................................................... 114 Figura 3.22. Grafico de valores obtenidos experimentalmente para el índice de Carr. ........................................................................... 116 Figura 3.23. Evolución de valores obtenidos experimentalmente para el índice de Carr en función del número de taps. .............. 116 Figura 3.24. Relación lineal entre N/C y N según el modelo de Kawakita. ................................................................................... 118 ANEXOS 324 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS C Ca ap pí ít tu ul lo o 4 4 Figura 4.1. Perfil típico en un proceso de fluidización. .............................. 124 Figura 4.2. Método gráfico de cálculo de la Umf mediante la intersección de las rectas correspondiente a los diferentes tramos en la curva de velocidad creciente de gas. .................... 127 Figura 4.3. Perfil típico de la pérdida de carga de un lecho en función de la velocidad superficial del gas empleado. ............... 130 Figura 4.4. Diagrama de Geldart. .............................................................. 131 Figura 4.5. Gráfico de los materiales estudiados donde puede observarse corresponden a la clasificación tipo C de Geldart. ...................................................................................... 141 Figura 4.6. Representación de un lecho fluidizado burbujeante y coalescencia de burbujas. ......................................................... 133 Figura 4.7. Lecho con formación de una zona de aire ocluido en el seno del lecho. .......................................................................... 134 Figura 4.8. Equipo de fluidización empleado para los ensayos. ................ 137 Figura 4.9. Esquema del equipo piloto utilizado. ....................................... 138 Figura 4.10. Perfil de velocidades empleado. ............................................ 140 Figura 4.11. Evolución de la diferencia de presión en función de la velocidad de aire para los tres carbonatos (CA, MG, RE). ........ 142 Figura 4.12. Evolución del parámetro QF con la velocidad superficial de aire para el carbonato CA. .................................................... 142 Figura 4.13. Evolución del parámetro QF con la velocidad superficial de aire para el carbonato MG. ................................................... 143 Figura 4.14. Evolución del parámetro QF con la velocidad superficial de aire para el carbonato RE. .................................................... 143 Figura 4.15. Formación de caminos preferenciales por donde el flujo de aire se libera mucho más rápidamente. ................................ 144 Figura 4.16. Evolución del parámetro QF en un sistema con agitación con la velocidad superficial de aire para el carbonato CA............................................................................. 145 ANEXOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 325 Figura 4.17. Evolución del parámetro QF en un sistema con agitación con la velocidad superficial de aire para el carbonato MG. ........................................................................... 145 Figura 4.18. Evolución del parámetro QF en un sistema con agitación con la velocidad superficial de aire para el carbonato RE............................................................................. 146 Figura 4.19. Modo de cálculo analítico del valor de Umf. ........................... 146 Figura 4.20. Representación esquemática de los esfuerzos horizontales y verticales que actúan sobre un material en un ensayo de cizalla. ................................................................. 149 Figura 4.21. Célula de cizalla del ensayo de Schulze. .............................. 150 Figura 4.22. Esquema del dispositivo de medida en una célula anular de Schulze. ..................................................................... 150 Figura 4.23. Vista frontal de la célula de cizalla de Schulze ...................... 151 Figura 4.24. Vista en plano cenital de la célula de cizalla de Schulze. ...... 151 Figura 4.25. Representación del procedimiento seguido para obtener el valor del yield locus. ................................................. 153 Figura 4.26. Determinación gráfica del ángulo de fricción interna. ............ 154 Figura 4.27. Curvas con valores de yield locus a distintos estados de consolidación. ............................................................................ 155 Figura 4.28. Parámetros más relevantes que se obtienen mediante el diagrama de Mohr. ................................................................. 157 Figura 4.28. Representación de los valores de Cy a medida que aumenta la presión de consolidación. ....................................... 158 Figura 4.30. Valores de la fuerza de cohesión Cy en función de la densidad para cada valor de la tensión normal. ........................ 159 Figura 4.31. Esfuerzos de cizalla para CA a un valor de precarga de 3 kPa. ....................................................................................... 161 Figura 4.32. Esfuerzos de cizalla para CA a un valor de precarga de 6 kPa. ........................................................................................ 161 Figura 4.33. Esfuerzos de cizalla para CA a un valor de precarga de 9 kPa. ........................................................................................ 162 ANEXOS 326 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 4.34. Esfuerzos de cizalla para CA a un valor de precarga de15 kPa. .................................................................................. 162 Figura 4.35. Esfuerzos de cizalla para CA a un valor de precarga de 20 kPa. ...................................................................................... 163 Figura 4.36. Esfuerzos de cizalla para CA a un valor de precarga de 45 kPa. ...................................................................................... 163 Figura 4.37. Esfuerzos de cizalla para CA a un valor de precarga de 58 kPa. ...................................................................................... 164 Figura 4.38. Esfuerzos de cizalla para MG a un valor de precarga de 3 kPa. ........................................................................................ 165 Figura 4.39. Esfuerzos de cizalla para MG a un valor de precarga de 6 kPa. ........................................................................................ 165 Figura 4.40. Esfuerzos de cizalla para MG a un valor de precarga de 9 kPa. ........................................................................................ 166 Figura 4.41. Esfuerzos de cizalla para MG a un valor de precarga de 15 kPa. ...................................................................................... 166 Figura 4.42. Esfuerzos de cizalla para MG a un valor de precarga de 20 kPa. ...................................................................................... 167 Figura 4.43. Esfuerzos de cizalla para MG a un valor de precarga de 45 kPa. ...................................................................................... 167 Figura 4.44. Esfuerzos de cizalla para MG a un valor de precarga de 58 kPa. ...................................................................................... 168 Figura 4.45. Esfuerzos de cizalla para RE a un valor de precarga de 3 kPa. ........................................................................................ 169 Figura 4.46. Esfuerzos de cizalla para RE a un valor de precarga de 6 kPa. ........................................................................................ 169 Figura 4.47. Esfuerzos de cizalla para RE a un valor de precarga de 9 kPa. ........................................................................................ 170 Figura 4.48. Esfuerzos de cizalla para RE a un valor de precarga de 15 kPa. ...................................................................................... 170 Figura 4.49. Esfuerzos de cizalla para RE a un valor de precarga de 20 kPa. ...................................................................................... 171 ANEXOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 327 Figura 4.50. Esfuerzos de cizalla para RE a un valor de precarga de 45 kPa. ...................................................................................... 171 Figura 4.51. Esfuerzos de cizalla para RE a un valor de precarga de 58 kPa. ...................................................................................... 172 Figura 4.52. Evolución del factor de flujo en función de la tensión normal de precarga para los 3 carbonatos estudiados. ............. 173 Figura 4.53. Obtención de la función de flujo según distintas condiciones experimentales. ..................................................... 174 Figura 4.54. Obtención de la recta que define la función de flujo para un determinado material tras realizar 5 experimentos. .............. 175 Figura 4.55. Funciones de flujo obtenidas para los materiales CA, MG, RE encuadradas dentro de las diferentes divisiones establecidas por Jenike. ............................................................ 175 Figura 4.56. Representación de la forma de la hélice y el movimiento que realiza durante la etapa de consolidación. Reómetro Freeman FT4. ............................................................................ 178 Fuente: Freeman Technology. ................................................................... 178 Figura 4.57. Fuerzas y efecto del movimiento en el desplazamiento de las hélices en un reómetro FT4. ........................................... 178 Figura 4.58. Diagrama de barras donde se expresan los distintos valores obtenidos para el índice de estabilidad (SI). ................. 179 Figura 4.59. Representación gráfica de la determinación del parámetro BFE para los 3 materiales. ....................................... 180 Figura 4.60. Valores experimentales obtenidos para el parámetro BFE. .......................................................................................... 181 Figura 4.61. Valores obtenidos experimentalmente para el parámetro FRI. .......................................................................... 182 Figura 4.62. Ciclo de fuerzas normales aplicadas sobre el disco y el valor de la tensión de cizalla medida en el disco rotante. .......... 183 Figura 4.63. Eje del reómetro FT4 mostrando los diferentes discos disponibles y su acabado. ......................................................... 184 ANEXOS 328 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Figura 4.64. Valores obtenidos experimentalmente para el ángulo de fricción a un valor de Ra=0,05 para las muestras de los 3 materiales. ................................................................................. 185 Figura 4.65. Valores obtenidos experimentalmente para el ángulo de fricción a un valor de Ra=0,28 para las muestras de los 3 materiales. ................................................................................. 186 Figura 4.66. Valores obtenidos experimentalmente para el coeficiente de fricción de los 3 materiales para un Ra=0,28 y un Ra=0,05. ............................................................. 186 C Ca ap pí ít tu ul lo o 5 5 Figura 5.1. Fenómenos asociados con la compactación a medida que aumenta la presión aplicada y disminuye la relación h/D. ............................................................................................ 194 Figura 5.2. Valores obtenidos en compactación a baja presión normal (kPa), coincidiendo con la fase de reorganización de las partículas. ....................................................................... 195 Figura 5.3. Simulación de compactación de un material pulverizado de partículas laminares. ............................................................ 196 Figura 5.4. Distribuciones de densidad mediante empleo de lubricación y sin lubricación. ...................................................... 197 Figura 5.5. Dispositivo de ensayos de compresión uniaxial compuesto por prensa, medidor de fuerza, transductor de desplazamiento y sistema informático acoplado. ...................... 198 Figura 5.6. Imágenes del sistema de molde utilizado para confeccionar las probetas cilíndricas. ........................................ 199 Figura 5.7. Perfil típico fuerza-desplazamiento obtenido durante un ciclo de compresión. .................................................................. 201 Figura 5.8. Evolución del volumen aparente con la presión durante la compactación para CA, MG, RE. ........................................... 202 ANEXOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 329 Figura 5.10. Evolución de la densidad relativa del compacto con la presión de compactación aplicada. ........................................... 203 Figura 5.11. Mecanismos que tienen lugar durante el proceso de densificación para los carbonatos empleados. .......................... 204 Figura 5.12. Factor de compresibilidad para los materiales CA, MG, RE. ............................................................................................ 205 Figura 5.13. Representación de los datos obtenidos experimentalmente conforme al modelo de Heckel para los 3 materiales CA, MG, RE. .................................................... 207 Figura 5.14. Parámetro C (grado de compresión) frente a la presión aplicada. .................................................................................... 210 Figura 5.15. Rectas obtenidas en la linealización llevada a cabo mediante el modelo de Kawakita. .............................................. 211 Figura 5.16. Representación de ln frente a 1/P según el modelo de Cooper-Eaton. ........................................................................... 213 Figura 5.17. Resultados obtenidos para el ajuste no lineal de los materiales CA, MG y RE. .......................................................... 213 Figura 5.18. Perfil típico de una curva fuerza – desplazamiento donde se representan las diferentes zonas y su significado físico. ....................................................................... 215 Figura 5.19. Curvas fuerza-desplazamiento obtenidas para el material CA en función de la fuerza máxima aplicada (5, 10, 20, 30 y 40 kN). ................................................................... 216 Figura 5.20. Curvas fuerza-desplazamiento obtenidas para el material MG en función de la fuerza máxima aplicada (5, 10, 20, 30 y 40 kN). ................................................................... 216 Figura 5.21. Curvas fuerza-desplazamiento obtenidas para el material RE en función de la fuerza máxima aplicada (5, 10, 20, 30 y 40 kN). ................................................................... 217 Figura 5.22. Valores obtenidos para el NCW para cada material en función de la presión máxima aplicada. ..................................... 217 ANEXOS 336 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS Tabla 3.11. Valores de la densidad aparente y de la densidad compactada para cada uno de los materiales estudiados. ........ 113 Tabla 3.12. Valores del índice de compresibilidad (%) de los materiales estudiados. ............................................................... 114 Tabla 3.13. Correspondencia de los valores del Índice de Carr con las propiedades de flujo. ............................................................ 115 Tabla 3.14. Valores de las constantes a y 1/b obtenidas según las medidas experimentales para cada material de acuerdo al modelo de Kawakita (N/C = N/a + 1/ab). ................................... 118 C Ca ap pí ít tu ul lo o 4 4 Tabla 4.1. Valores obtenidos experimentalmente para σt y Umf. ................ 141 Tabla 4.2. Valores de Umf obtenidos experimentalmente para los 3 materiales. .................................................................................. 147 Tabla 4.3. Valores de la cohesión (Cy) expresados en Pa obtenidos en las condiciones experimentales ensayadas. ........................ 157 Tabla 4.4. Valores obtenidos para el ángulo de fricción interna obtenidos para cada valor de precarga. .................................... 159 Tabla 4.5. Valores obtenidos para el coeficiente de fricción interna para cada valor de precarga. ..................................................... 160 Tabla 4.6. Valores experimentales obtenidos en la serie de ensayos de cizalla para el material CA. ................................................... 164 Tabla 4.7. Valores experimentales obtenidos en la serie de ensayos de cizalla para el material MG. .................................................. 168 Tabla 4.8. Valores experimentales obtenidos en la serie de ensayos de cizalla para el material RE. ................................................... 172 Tabla 4.9. Valores de ffc calculados para los carbonatos ensayados. ....... 176 Tabla 4.10. Valores del parámetro SI obtenidos para los 3 carbonatos. ................................................................................ 179 Tabla 4.11. Valores obtenidos para el parámetro BFE para los 3 carbonatos. ................................................................................ 181 ANEXOS AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS: 337 Tabla 4.12.Valores del parámetro FRI obtenidos para los 3 carbonatos. ................................................................................ 182 Tabla 4.13. Valores obtenidos experimentalmente para el ángulo de fricción y el coeficiente de fricción para cada material ensayado. .................................................................................. 185 C Ca ap pí ít tu ul lo o 5 5 Tabla 5.1. Modelos matemáticos de compactación más empleados. ........ 193 Tabla 5.2. Valores obtenidos para K y precisión del ajuste lineal. ............. 206 Tabla 5.3. Valores de K2 y A obtenidos para cada carbonato estudiado. .................................................................................. 208 Tabla 5.4. Valores obtenidos para el parámetro Py .................................... 208 Tabla 5.5.Valores obtenidos para el límite de elasticidad para cada material. ...................................................................................... 209 Tabla 5.6. Valores obtenidos para los parámetros a y 1/b para cada material. ..................................................................................... 211 Tabla 5.7.Valores obtenidos para los parámetros del modelo de Cooper-Eaton para cada material.............................................. 214 Tabla 5.8. Proporción de componentes en las mezclas binarias. .............. 222 Tabla 5.9. Valores de los parámetros de Kawakita obtenidos para las mezclas binarias. ....................................................................... 230 Tabla 5.10. Factores de compresibilidad obtenidos para las mezclas binarias de los materiales CA y RE. .......................................... 233 Tabla 5.11. Factores de compresibilidad obtenidos para las mezclas binarias de los materiales MG y RE. ......................................... 234 Tabla 5.12. Valores de compresibilidad y cohesión para las mezclas binarias con YS. ........................................................................ 236 Tabla 5.13. Parámetros de tamaño de partícula obtenidos mediante tecnología SYMPATEC. ............................................................ 253 ANEXOS 338 AVANCES EN AGLOMERACIÓN Y COMPACTACIÓN DE PARTÍCULAS C Ca ap pí ít tu ul lo o 6 6 Tabla 6.1. Parámetros más importantes de los que depende la compactación entre rodillos. ...................................................... 264 Tabla 6.2. Resultados obtenidos para CA con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 3 cm. ..................................................................................... 271 Tabla 6.3. Resultados obtenidos para MG con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 3 cm. ..................................................................................... 273 Tabla 6.4. Resultados obtenidos para RE con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 3 cm. ..................................................................................... 274 Tabla 6.5. Resultados obtenidos para CA con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 4 cm. ..................................................................................... 275 Tabla 6.6. Resultados obtenidos para MG con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm con un orificio de entrada de 4 cm. ..................................................................................... 276 Tabla 6.7. Resultados obtenidos para RE con una apertura entre rodillos de 0,10 mm y 0,15 mm un orificio de entrada de 4 cm. ............................................................................................. 277