05 de diciembre de 2016
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Autor: Jairo Patemina / Jenike & Johanson. Ver al final del boletín.
El apelmazamiento de humedad ocurre en muchos materiales, particularmente cuando se almacenan o se transportan. Este artículo describirá las pruebas de caracterización que pueden determinar si un material se apelmazará debido a la humedad y abordará las posibles soluciones posteriores al proceso para evitar el apelmazamiento de humedad durante su almacenamiento y transporte.
La aglomeración es un fenómeno natural. Sucede bajo condiciones específicas lo quiera usted o no. La aglomeración no deseada, normalmente denominada apelmazamiento, se refiere al estado de un material sólido a granel donde se han formado grumos o aglomeraciones debido a la formación de fuertes vínculos entre las partículas del material. Con frecuencia, el apelmazamiento ocurre en tal medida que causa graves dificultades operativas y quejas por parte de los clientes. (1)
Por ejemplo, ¿le suena familiar algunas de estas quejas? «A veces, el producto fluye bien y otras veces, no. El producto de su competidor siempre fluye bien». «Algunas bolsas a granel están apelmazadas tanto que no podemos descargar el material de las bolsas. Tenemos que separar el material al golpear las bolsas con fuerza contra una pared». «Tarda demasiado descargar algunos contenedores a granel. Esto nos está costando demasiado dinero». «Algunos paquetes que salen de la planta están llenos de grumos. Se tienen que remoler en el local del cliente, y tenemos que pagarlo». «Algunos lotes están llenos de aglomerados que no se disuelven».
Tenga en cuenta que su cliente verá su material apelmazado como un producto de mala calidad, incluso si está utilizando la tecnología más avanzada para producirlo. Si sus clientes pueden encontrar un proveedor que puede proporcionar el mismo material en forma más deseada, sus clientes recurrirán a ese proveedor.
Mecanismos de apelmazamiento
Para resolver un problema de apelmazamiento, primero se tienen que comprender los mecanismos de apelmazamiento. Luego se pueden modificar sus prácticas de proceso, almacenamiento o transporte para evitar o remediar la aglomeración no deseada.
Los mecanismos principales que pueden causar que se unan las partículas en un material, lo cual produce el apelmazamiento, son el entrelazado mecánico, la unión de flujo plástico, la carga electrostática, el enlace biológico (que incluye el apelmazamiento de humedad) y una combinación de ellos.(2)
El tamaño de la partícula de su material, la distribución del tamaño de la partícula y la forma de la partícula desempeñan papeles importantes con cualquiera de estos mecanismos. La posibilidad del apelmazamiento aumenta cuando hay más contacto entre las partículas. Por lo tanto, en general, cuánto más pequeña la partícula y cuánto menos uniforme la forma de la misma, es más probable que se apelmace el material.
El apelmazamiento de la humedad en las industrias de sólidos a granel
El apelmazamiento de humedad, que constituye una forma de enlace biológico, es el mecanismo de apelmazamiento más común en las industrias de sólidos a granel. Por esta razón, este artículo se enfocará únicamente en el apelmazamiento de humedad. Este fenómeno afecta particularmente los alimentos y los sistemas de polvo cristalino, tales como sales, y abarca la disolución y la recristalización, las transiciones de fase sólida-sólida y la sublimación. [Nota del editor: Véase más información sobre lo anterior en la referencia 2].
Cómo sucede: En el apelmazamiento de humedad, se forman puentes de líquido interpartículas (con cierta disolución superficial de las partículas relacionada con la humedad) y se solidifican posteriormente bajo condiciones secas. Las condiciones de almacenamiento, incluso la humedad, la temperatura, el tiempo y las presiones de consolidación también afectan el apelmazamiento de humedad. La humedad o el agua también pueden actuar como un plastificante y así suavizan las partículas y permiten que se deformen y se acerquen incluso más, lo cual incrementa su fuerza de adhesión.
La humedad que provoca el apelmazamiento proviene de varias fuentes, incluso la entrada directa del proceso de elaboración, la humedad inherente del material y la humedad ambiental.(3) Cuando los niveles de actividad del agua son altos (normalmente cuando la humedad relativa es superior al 60 %), puentes de líquido comienzan a formarse entre las partículas debido a la compensación capilar, tal como se muestra en la Figura 1a. Cuánto más humedad hay, se forman puentes de líquido en todos los puntos de contacto entre las partículas y así se producen aglomeraciones (Figura 1b). Cuando se satura el material completamente, todos los vacios y espacios porosos entre las partículas están llenos de agua, y se forman grumos (Figura 1c).
Figura 1
Etapas del apelmazamiento de humedad
a. Los puentes de agua comienzan a formarse.
b. Los puentes de agua se forman en todos los puntos de contacto de las partículas y producen aglomeraciones.
c. El líquido llena todos los vacíos o espacios porosos entre las partículas y crea grumos.
Si los puentes de líquido contienen una materia soluble y por medio del secado o la migración de humedad (mencionado en el próximo inciso) se llega a extraer el agua, entonces se forman puentes fuertes y sólidos que causan el severo apelmazamiento de humedad y grumos, tal como muestra la Figura 2.
El problema con la migración de humedad. La migración de humedad causada por una concentración desigual de agua, denominada el gradiente de concentración de agua, puede producir áreas localizadas de alta actividad del agua en un lecho de material embolsado; esto produce el apelmazamiento.(4) El gradiente puede ocurrir entre el material almacenado en el recipiente y el aire atmosférico en contacto con la tapa del recipiente (por ejemplo, cuando se usa una bolsa permeable a la humedad) y en aire en la parte superior del contenedor, o sea entre la tapa y el material almacenado.
Desafortunadamente, tener un contenedor perfectamente impermeable a la humedad no garantiza que concentraciones de agua relativamente altas no se produzcan dentro del lecho empaquetado. Los gradientes de temperatura durante el empaque también pueden provocar la migración de humedad y el apelmazamiento.(5) Esto se explica mejor con un ejemplo: considere un polvo cristalino o sal que salen de una secadora a aproximadamente 140 °F (60 °C) y se colocan en una bolsa a granel con superficies que están expuestas a una temperatura más fresca, como la temperatura ambiente del almacén. Inicialmente, el aire que rodea las partículas en el recipiente estará casi igual a la humedad relativa de equilibrio del aire. Mientras que la humedad absoluta del aire circundante es inicialmente constante en toda el área, la humedad relativa cerca de las paredes más frías de las bolsas se incrementará al mismo tiempo que disminuye la temperatura del aire. La humedad del aire se condensará y adsorberá sobre las partículas más cercanas a la pared y, así, se produce la formación de puentes de líquido. La humedad absoluta cerca de la pared, por tanto, se reducirá, y la humedad migrará del centro de la bolsa o del recipiente a granel a la pared.
Grumos causados por el apelmazamiento severo de humedad recolectado de una bolsa a granel después del envío
Figura 2
Simultáneamente, el transporte de humedad lejos de las áreas más calientes del lecho causará la desorción de la humedad del material; esto facilitará el traslado de humedad incluso más. Este proceso continuará hasta que la temperatura y la humedad alcancen un equilibrio. Si este proceso se revierte posteriormente (es decir, la temperatura ambiente llega a ser más caliente que el material embolsado) puentes sólidos pueden formarse cerca de la superficie de la bolsa y producir el apelmazamiento.
Cuando un material se empaqueta y transporta, frecuentemente está sujeto a oscilaciones diarias y nocturnas de temperatura. Incluso cuando se almacena en contenedores impermeables a la humedad, el material todavía puede apelmazarse cuando la humedad migra a la superficie y evapora cuando el material está caliente y luego se condensa cuando se enfría el material.
Técnicas de caracterización y medidas del apelmazamiento
Se puede determinar cuan probable se apelmace su material al realizar pruebas a escala de laboratorio con muestras representativas del material según las condiciones de procesamiento, almacenamiento y trasporte esperadas. Se pueden realizar pruebas de sorción para cuantificar la interacción del material con la humedad ambiental y pruebas de cizallamiento para determinar cuán probable sea que el material se apelmace bajo condiciones controladas de temperatura, humedad y niveles de consolidación.(6)
Pruebas de sorción. Se puede cuantificar cómo la humedad ambiental afecta la absorción de humedad de su material al realizar una serie de pruebas de sorción con el uso de una microbalanza dentro de una cámara a una temperatura controlada y bajo condiciones de humedad controladas y al documentar los resultados en una curva llamada la isoterma de sorción. En las pruebas, pequeñas muestras del material se colocan sobre la microbalanza y se exponen a una gama de humedades relativas a una temperatura constante comenzando con casi el 0 % de humedad relativa. Se permite suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio entre el aire y las partículas. El cambio en el peso del material se documenta en cada etapa, y esto representa el contenido de humedad de equilibrio en función de la humedad relativa en equilibrio con el material.
La forma de la isoterma de sorción incluye información útil sobre el tipo de interacción que se produce entre el material y la humedad ambiental. La isoterma en la Figura 3 muestra el comportamiento típico de un alimento o material cristalino que están propensos a apelmazarse debido a la migración de humedad. La forma isotérmica indica que solamente pequeñas cantidades de humedad se tienen que redistribuir en el material empaquetado para producir áreas localizadas de alta actividad del agua donde comienzan a formarse puentes de líquido.
Figura 3
Pruebas de cizallamiento: Además de la humedad, el apelmazamiento se ve impactado por las presiones de consolidación durante el almacenamiento, en conjunto con la temperatura ambiente, la humedad relativa y el tiempo. Al analizar su material, su método de análisis debe proporcionar un buen control de estas variables críticas y debe ser cuantitativo. Ya que el apelmazamiento puede ser definido por el incremento en la resistencia cohesiva de un material a presiones de consolidación por un plazo de tiempo predeterminado, una prueba de cizallamiento es ideal para analizar qué presiones de consolidación causan que su material se apelmace según ciertas condiciones ambientales: la prueba aplica presiones de consolidación que simulan las que se esperan cuando se almacena su material. El dispositivo de análisis, conocido como un comprobador de células en cizallamiento, se ve en la Figura 4. El comprobador mide la resistencia cohesiva de su material mientras se aplica la presión de consolidación a niveles controlados al material.
Se pueden aplicar los resultados del análisis de cizallamiento con confianza, ya que el análisis realizado con pequeñas muestras de su material reproducirá las condiciones esperadas a gran escala.
Por ejemplo, para determinar si su material se apelmazará en una bolsa después de almacenarla por una semana, se puede medir la resistencia cohesiva a presiones de consolidación que corresponden a las de la bolsa bajo condiciones de flujo continuo y después de una semana en reposo.(7) También se pueden controlar la temperatura y la humedad relativa ambiental de la muestra. Para simular las presiones de consolidación durante al almacenamiento, coloque muestras de su material en células y cargue cada una en un banco de trabajo de consolidación, tal como representa la Figura 5, bajo una carga estática por un tiempo y bajo condiciones ambientales, ambos ya predeterminados. Después de que venza el tiempo, coloque las células en el comprobador que las cizalle para establecer el aumento de resistencia cohesiva del material en comparación con su resistencia bajo condiciones de flujo continuo.
Figura 4
¿Cómo impedir el apelmazamiento de humedad durante el almacenamiento y el transporte?
Las pruebas de sorción y cizallamiento le pueden ayudar a comprender el comportamiento del apelmazamiento de su material mientras esté almacenado para que pueda desarrollar estrategias para impedir el apelmazamiento de humedad. Por ejemplo, los resultados de la prueba de sorción brindan información sobre la absorción de la humedad del material en función de la humedad y la temperatura, de modo que se pueda usar esta información para especificar las condiciones ambientales en su almacén, los recipientes o el proceso. Los resultados de las pruebas de cizallamiento pueden ayudar a identificar la sensibilidad de su material a apelmazarse bajo condiciones de almacenamiento, para que se pueda minimizar el apelmazamiento al controlar variables tales como el contenido de humedad del material y la humedad ambiental, además de la temperatura, el tiempo y las presiones de consolidación durante el almacenamiento.
Desafortunadamente, para evitar o remediar los problemas de apelmazamiento, es posible que la realización de estos análisis no sea suficiente por sí solos. Esto es especialmente cierto, cuando la migración de humedad como resultado de los gradientes de temperatura durante el almacenamiento en su almacén o durante el transporte, causa el apelmazamiento de humedad. Más aún, la solución sencilla de implementar sistemas de control de aire en el almacén o el uso de contenedores con aire acondicionado a veces no es económicamente factible.
En estos casos, se pueden usar modelos matemáticos publicados (4,7,8) para simular la difusión de la humedad en los lechos de material empaquetado. Estos modelos le pueden ayudar a predecir el gradiente de la temperatura que se requiere para superar una actividad específica de agua (fácilmente identificable durante el análisis a escala de laboratorio) en una superficie fría para una dada actividad inicial de agua y temperatura del material empaquetado. (Sea consciente que necesitará corroborar estos modelos con su material).
Figura 5
Figura 6
Modelo de migración de humedad para el polvo crystaMine que muestra donde alcanza el 60 % de humedad relativa después de varias etapas del proceso
La Figura 6 muestra los resultados de la realización de un modelo de migración de humedad para un polvo cristalino que se apelmazó. Cada curva representa el gradiente de temperatura del material (de caliente a frío) durante el almacenamiento después de terminar con otra etapa del proceso. Para usar el gráfico, se observa la actividad del agua en el punto donde cada curva converge con la temperatura fría; luego aplica la medida de la actividad del agua a la isoterma de sorción para encontrar el contenido correspondiente de humedad del material. Esto indica la cantidad máxima de humedad que el material debería contener cuando se almacena a la temperatura fría mencionada para evitar el apelmazamiento de humedad. Se pueden usar resultados como éstos ya sea para determinar si su material se ha secado lo suficientemente para impedir el apelmazamiento durante la etapa de enfriamiento de su proceso dentro de sus silos antes del embalaje, o para evitar el apelmazamiento dentro de las bolsas durante su transporte.
Aquí tenemos dos ejemplos de cómo se podría usar el gráfico de la Figura 6:
Caso 1: Si la temperatura del material en la etapa del empaque es 86 °F (30 °C), y la temperatura del almacén o los contenedores de envío donde se almacenan las bolsas) es 50 °F (10 °C), entonces el material deberá secarse hasta una actividad máxima de agua de 0,36 (que corresponde al contenido específico de humedad tomado de la isoterma de sorción) antes de que entre a la bolsa para evitar que se apelmace el material durante el ciclo de enfriamiento.
Caso 2: Si la actividad del agua es 0,3, y la temperatura mínima alcanzada durante el envío es 50 °F (10 °C), entonces el material se deberá enfriar a 100 °F (38 °C) antes de colocarlo en bolsas para evitar el apelmazamiento.
Una última palabra
El apelmazamiento de humedad es un fenómeno complicado. El uso de pruebas a escala de laboratorio, además de modelos corroborados sobre la migración de humedad, le pueden ayudar a evitar el apelmazamiento mediante la identificación de escalas aceptables para las variables críticas del proceso.
PBE
Para más información
Encontrará más información sobre este tema en los artículos que figuran bajo el título de almacenamiento o flujo de sólidos en el índice completo de artículos Powder and Bulk Engineering (en la edición de diciembre del 2013 y en la página web de PBE, www.powderbulk.com) y también en libros disponibles en la librería de la página web de PBE. Asimismo, se pueden comprar copias de artículos anteriores de PBE en www.powderbulk.com.
Jairo Paternina es ingeniero de proyectos en Jenike & Johanson, 400 Business Park Drive, Tyngsboro, MA 01879; 978-392-0300 (jpaternina@jenike.com, www.jenike.com). Recibió su licenciatura en ingeniería química de la Universidad Industrial, Santander, Colombia y su maestría en el manejo de sólidos particulados (particulate solids handling) de Glasgow Caledonian University, Escocia.
Derechos de autor: CSC Publishing
(1) L. Bates et al., “Caking: A ubiquitous problem in process industries,” The PTF Newsletter, Particle Technology Forum, Vol. 18, No.2, Spring of 2013.
(2) E. Griffith, Cake Formation in Particulate Systems, VCH Publishers, 1991.
(3) W. Pietsch, Agglomeration Processes, Wiley - VCH Verlag GmbH, 2002.
(4) G.I. Tardos et al., “Ingress of atmospheric moisture into packed bulk powders,” Powder Handling & Processsing, Vol. 8, No. 1, 1996, páginas 7 a 15.
(5) A. Paterson et al., “The practical implication of temperature induced moisture migration in bulk lactose,” Journal of Food Engineering, Vol. 91, 2009, páginas 85 a 90.
(6) A.W. Jenike, Storage and Flow of Solids, Boletín 123, Utah Engineering Experiment Station, University of Utah, 1964.
(7) E.R.G. Eckert et al., “A general analysis of moisture migration caused by temperature differences in an unsaturated porous medium,” International Journal of Heat Mass Transfer, Vol. 23, 1980, páginas 1613 a 1623.
(8) J. Bronlund et al., “Mathematical modeling of temperature-induced moisture migration in bulk powders,” Chemical Engineering Science, Vol. 63, 2008, páginas 2330 a 2340.
Atentos saludos,
Carlos Peralta
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