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Me encontraba de pie frente al punto de captación de un sistema de transporte neumático que habíamos suministrado a un fabricante en Canadá, tratando de averiguar por qué no funcionaba como se esperaba.
Se trataba de un sistema de transporte en fase densa, dotado de una extensa red de tuberías y múltiples tramos verticales que exigían un elevado caudal de aire para trasladar el polvo a lo largo de una gran distancia. El caudal de aire era especialmente alto en el punto de captación —demasiado alto, según resultó— como para permitir que el polvo formara adecuadamente los tapones pulsados característicos de un transporte suave en fase densa.
Reducir el caudal de aire en un intento por facilitar la formación de tapones adecuados impedía que el polvo llegara al punto de descarga. Se probaron diversas estrategias de solución de problemas, pero ninguna dio resultado.
Apenas había transcurrido un año desde mi graduación en la Escuela de Ingeniería del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI), y pensé para mis adentros: «Bueno, esto no lo vimos en clase».
Tras considerar varios ajustes diferentes, reconfiguramos el trazado de las tuberías para situar el primer tramo vertical mucho más cerca del punto de captación. Parecía algo contraintuitivo, pero esta modificación permitió que el sistema formara los tapones adecuados mientras operaba con el caudal de aire requerido, minimizando al mismo tiempo el efecto de la caída de presión durante el tramo vertical.
Mirando atrás, me di cuenta de que el plan de estudios —incluso el de la escuela de ingeniería más rigurosa del mundo, con su intenso enfoque en la comprensión de los principios fundamentales de la física y los cálculos matemáticos correspondientes— enseñaba muy poco sobre los aspectos prácticos que conlleva el uso del transporte neumático para trasladar de forma segura materiales a granel a través de una vasta planta de procesamiento químico.
En la escuela, los ingenieros adquieren conocimientos y rigor; sin embargo, desarrollan la sabiduría al aplicar esos conocimientos en la práctica, y la humildad al reconocer que aquello que funciona a la perfección en una pantalla o en un modelo informático puede no trasladarse con la misma exactitud al mundo real. Por este motivo, contar con experiencia y con un instinto innato para la resolución de problemas resulta fundamental a la hora de diseñar equipos de manipulación de polvos que funcionen según lo previsto, no solo en la pantalla y en el laboratorio de pruebas, sino también durante años tras su instalación.
El RPI no es la única escuela de ingeniería que centra su atención en los principios y los cálculos, dejando a menudo la experiencia práctica y manual en manos de las pasantías y del trabajo de posgrado. A continuación, presento algunas reflexiones sobre otros problemas relacionados con el transporte de polvos y sólidos a granel que, si bien no suelen enseñarse en las escuelas de ingeniería, resultaría muy útil que los profesionales de la manipulación de materiales a granel comprendieran.
La mayoría de nosotros aprendimos mucho sobre dinámica de fluidos en la escuela, pero nunca abordamos cómo aprovechar el aire y/o el vacío (presión negativa) para transferir materiales desde un punto A a un punto B a través de una manguera o tubería cerrada. Sin embargo, estos suelen ser, a menudo, los métodos de transporte más eficientes de todos los disponibles actualmente para la industria de sólidos a granel, dependiendo de la aplicación. Ofrecen un alto nivel de control del polvo, limpieza, contención y prevención de la contaminación que los métodos de transporte mecánicos —tales como los elevadores de cangilones y las cintas transportadoras— no pueden igualar. Estos transportadores neumáticos pueden dividirse en dos tipos: transportadores neumáticos de presión positiva, que utilizan aire comprimido para impulsar los materiales a granel desde el punto de recogida hasta el de descarga; y transportadores por vacío de presión negativa, que emplean una bomba de vacío para aspirar los materiales a granel mediante un flujo de succión, llevándolos desde el punto de recogida hasta el de descarga.
Ambas variantes destacan en el transporte de polvos, gránulos, pellets y otros materiales secos a granel; ambas pueden operar tanto en fase diluida como en fase densa, y existe cierto solapamiento en el que cualquiera de los dos tipos podría ser adecuado para una misma aplicación. No obstante, en la mayoría de los casos, uno de los tipos suele ofrecer una ventaja sobre el otro.
Los sistemas de presión positiva se utilizan para transportar gránulos de resina plástica, áridos y otros materiales a largas distancias, si bien lo hacen a altas velocidades de transporte que pueden provocar una mayor degradación del producto. Los sistemas de transporte por vacío de presión negativa se emplean para trasladar materiales e ingredientes más sensibles y de alto valor, en aquellos casos en los que el tamaño y la forma de las partículas son factores críticos y es necesario minimizar la degradación. Si se produce alguna fuga en la tubería, un sistema de transporte por vacío de presión negativa aspirará aire del exterior hacia el interior de la línea; por el contrario, un sistema de transporte de presión positiva expulsará el producto hacia el exterior de la tubería. Esta diferencia supone una ventaja significativa para el transporte por vacío cuando el producto conlleva riesgo de explosión o es tóxico. La harina, las especias, los principios activos farmacéuticos (API), los comprimidos terminados y los pigmentos son ejemplos de materiales en los que el transporte por vacío —al ser un método más suave— ofrece una ventaja. No obstante, ambos tipos han demostrado ser eficaces en el transporte de miles de materiales diferentes con una amplia y variada gama de propiedades.
Las escuelas de tecnología e ingeniería exigen a los estudiantes memorizar una gran cantidad de fórmulas y cálculos. Es motivo de orgullo. De hecho, el grito de ánimo que suelen lanzar los estudiantes del RPI en los partidos de hockey hace referencia a conceptos matemáticos avanzados. Y si bien muchas de las fórmulas y conceptos que se enseñan en la universidad se aplican, en principio, al diseño de sistemas de transporte, el cálculo clave que se utiliza a diario para dimensionar nuestros sistemas de transporte neumático por vacío es relativamente sencillo: el volumen.
Rendimiento: Volumen = Caudal x Densidad aparente
Esto significa que, para diseñar un sistema de transporte neumático por vacío, los dos factores más importantes que se deben considerar desde el principio son la densidad aparente del material y la cantidad que se va a transportar a través del transportador. Por ejemplo, si un fabricante de alimentos necesita transportar trozos de pasta desde una extrusora a un caudal de 2500 lb/h y la densidad aparente es de 65 lb/ft³, el sistema debe ser capaz de transportar a un caudal de aproximadamente 38 pies cúbicos por hora.
Los ingenieros experimentados pueden diseñar un sistema de transporte que se adapte a prácticamente cualquier volumen de procesamiento deseado. Sin embargo, mayores caudales requieren equipos y tuberías de mayor tamaño, así como mayores flujos de aire, lo que puede aumentar la velocidad del sistema. Esto incrementa el riesgo de degradación de las partículas, el consumo de energía y, al transferir mezclas, la probabilidad de que los diferentes materiales se separen de la suspensión durante el transporte, especialmente al mover varios materiales con diferentes densidades aparentes.
¿Cómo saben los fabricantes qué volumen de procesamiento se necesita? Esto suele determinarse por el caudal de los equipos aguas arriba y/o aguas abajo. Por ejemplo, al transferir pasta seca a una marmita de procesamiento, el caudal del sistema de transporte normalmente debería coincidir con el caudal de la marmita, más una cierta capacidad de reserva para compensar posibles imprevistos. Una transferencia demasiado lenta dejaría la marmita inactiva o dejaría parte de la pasta cruda, mientras que una transferencia demasiado rápida podría alterar los requisitos de la receta. De igual manera, no sería necesario diseñar el transportador de vacío para manejar un volumen de flujo que supere con creces la velocidad a la que el equipo anterior puede alimentar el material al transportador. Por el contrario, el transportador se sobrecargaría si el flujo de material proveniente del equipo anterior superara su capacidad.
Una vez determinado el volumen de flujo, podemos incorporar a la ecuación la distancia de transporte entre el punto A y el punto B, cualquier cambio de elevación necesario entre ambos puntos y propiedades adicionales del material, como la sensibilidad a la humedad, el tamaño y la forma de las partículas, y la distribución granulométrica requerida en la descarga.
Sin embargo, no existen fórmulas ni cálculos que puedan incorporar todas las propiedades del material o configuraciones de transportador imaginables. En esta etapa, la experiencia, los conocimientos y el pensamiento crítico en ingeniería desempeñan un papel fundamental para garantizar que el diseño del sistema de transporte cumpla con los requisitos de flujo y calidad del producto establecidos durante la instalación y la puesta en marcha.
Dado que Volkmann cuenta con décadas de experiencia acumulada en el manejo de polvos, disponemos de una amplia base de datos técnicos obtenidos mediante pruebas realizadas con miles de materiales e ingredientes diferentes. El equipo de ingeniería de la empresa sabe con exactitud cómo se comportará la harina de trigo, en comparación con la harina fina para pasteles, o la ceniza volante en comparación con el negro de humo, en un sistema de transporte neumático por vacío. El equipo ya sabe cómo tener en cuenta las diferencias, tanto sutiles como sustanciales, en las propiedades de los materiales, incluso entre grados ligeramente distintos del mismo material, e incluso al transportarlos en altitudes elevadas o entornos tropicales.
Esto es importante porque los insumos suelen cambiar después del dimensionamiento e instalación. Consideremos un transportador diseñado para transferir harina de trigo desde sacos de 22,7 kg (50 lb) hasta una mezcladora, basándose en una densidad aparente determinada. Durante el verano, la alta humedad provoca que la harina de trigo envasada absorba humedad durante el almacenamiento, lo que afecta a las características de flujo y a la densidad aparente. Una densidad aparente diferente, como factor clave en el cálculo más importante para dimensionar un transportador por vacío, cambia el comportamiento de la harina de trigo durante el transporte y puede comprometer su fluidez. O, ¿qué ocurre si la panadería cambia de proveedor de harina de trigo para ahorrar dinero y el nuevo proveedor utiliza una distribución de tamaño de partícula más amplia que contiene muchas más partículas finas de las previstas? Para que las empresas puedan reemplazar con confianza la manipulación manual de polvos con transportadores de vacío automatizados, el sistema de transporte debe ser lo suficientemente versátil como para adaptarse a las fluctuaciones predecibles de las propiedades del material, así como a los cambios impredecibles que se producen. En estos casos, la experiencia suele ser la mejor maestra.
Diseñar correctamente varios tipos de sistemas de transporte comúnmente utilizados para transferir materiales en la industria requiere un alto nivel de conocimientos técnicos, pero esto no se aborda adecuadamente en la mayoría de las escuelas de ingeniería.
Dominick Fortuna es presidente de Volkmann USA. Es graduado de la Escuela de Ingeniería del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI) y cuenta con casi tres décadas de experiencia en ingeniería y gestión de proyectos, con un enfoque en el diseño de plantas, la optimización y la especificación de equipos. Volkmann diseña y fabrica sistemas de transporte neumático por vacío, alimentadores vibratorios con pesaje y otros equipos de procesamiento. Para más información, llame al 609-265-0101 o visite www.volkmannusa.com.
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