Trasn. neum

CONGRESO CONAMET/SAM 2004

TRANSPORTE NEUMÁTICO DE MATERIALES SÓLIDOS A GRANEL

Francisco Cabrejos, María Isabel Jofré y Jorge Rojas

Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Ingeniería Mecánica
Avda. España 1680, Valparaíso, Chile
<director.mec@usm.cl>

RESUMEN

El Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa María formó el Centro de
Investigación para el Transporte de Materiales (CITRAM) para estudiar experimentalmente el transporte
neumático de materiales sólidos a granel, los diferentes tipos de flujo que se pueden generar dentro de una
cañería, y para determinar los parámetros más importantes para el correcto diseño y operación de estos sistemas
tales como la velocidad mínima de transporte y la caída de presión en la cañería. El presente trabajo describe las
características del sistema implementado, el primero en su tipo en Chile, y entrega resultados obtenidos tales
como la velocidad mínima y la caída de presión recomendada para el transporte horizontal de diversos materiales
a granel ensayados.

Palabras Claves: Transporte neumático, partículas, materiales sólidos a granel.

1. INTRODUCCIÓN transportar en forma horizontal y/o vertical, desde
algunos metros hasta máximo dos kilómetros de
Sistemas de transporte neumático se utilizan distancia, y con capacidades de hasta 1000 t/h a través
ampliamente en la industria para transportar de cañerías de hasta 500 mm de diámetro.
materiales secos, finos y a granel porque son
extremadamente versátiles, adecuados y económicos La principal ventaja del transporte neumático de
para muchos procesos. El transporte neumático de sólidos a granel es que los sistemas son cerrados, y
sólidos se ha practicado por más de un siglo en el por lo tanto, no-contaminantes. El material
mundo y hoy se puede encontrar sistemas de este tipo transportado se “encierra” totalmente dentro de la
en las más variadas industrias: la minería, industria del cañería, lo cual proteje al producto del medio
cemento y construcción, química y farmacéutica, ambiente y viceversa (al medio ambiente del producto
plásticos, de alimentos, papel, vidrio, energía, etc. Por en caso de transportar materiales peligrosos,
ejemplo, el transporte y descarga neumática de explosivos, tóxicos, biológicos, etc.). Además, son
cemento, cal, azúcar, pellets plásticos en camiones a sistemas muy limpios, adecuados para muchos y
granel presurizados; sistemas de transporte e variados procesos, flexibles para cambiar de dirección,
inyección neumática de concentrado de cobre seco a requieren de un reducido espacio y son fáciles de
convertidores Teniente, y sistemas similares para automatizar.
carbón pulverizado que alimentan calderas y hornos;
sistemas de transporte neumático de fertilizantes, Dentro de las desventajas es importante destacar que
yeso, coke, cenizas, sal, alimentos, granos, aserrín, etc. no todos los materiales particulados se pueden
en plantas de procesos; sistemas de captación y transportar neumáticamente a través de cañerías, sino
transporte neumático de polvo; etc. sólo aquellos materiales secos, no cohesivos, de fácil
escurrimiento libre por gravedad, y relativamente
El objetivo principal de un sistema de transporte finos. Materiales frágiles pueden sufrir de excesiva
neumático es transportar materiales sólidos a granel atrición y materiales abrasivos pueden causar desgaste
desde un punto a otro por medio de un flujo de gas a prematuro en las cañerías y codos. Otras limitaciones
presión, ya sea positiva o negativa, y a través de una del transporte neumático son el tamaño máximo de
cañería. Materiales particulados finos en el rango de partícula, la capacidad máxima de transporte, la
los micrones hasta partículas de 20 mm se pueden distancia a transportar y el mayor consumo de energía.


Hoy en día se pueden encontrar sistemas de transporte En este tipo de sistemas de transporte neumático, el
neumático en las más diversas industrias. Incluso material es transportado en suspensión dentro de la
existen algunas aplicaciones algo inusuales como el cañería, las partículas se distribuyen uniformemente
transporte neumático de gallinas vivas en granjas, en toda la sección transversal de la cañería (flujo
transporte neumático de botellas plásticas y/o latas de homogéneo), la concentración de sólidos es
cerveza, transporte neumático de cubos de hielo en relativamente baja (inferior a 10 kgs de sólidos por kg
minas subterráneas en Sudáfrica, transporte de pellets de gas) y la velocidad de transporte es relativamente
para alimentar salmones, etc. alta. El soplador provee el flujo y la presión de aire
necesario para transportar al material desde el punto
En Chile, quizás una de las aplicaciones más de alimentación hasta el punto de descarga. El
relevantes sea el transporte e inyección neumática de alimentador introduce las partículas sólidas dentro de
concentrado de cobre seco a los convertidores la cañería donde se mezclan con el gas de transporte y
Teniente en que el material es introducido al reactor a un flujo controlado para evitar sobrecargar la línea.
bajo el baño de material fundido, con alta presión y Sistemas de presión positiva requieren de un
capacidades de 100 tph. Otra aplicación muy común mecanismo de sello para alimentar el material
es el uso de camiones tolva presurizados para el (generalmente a presión ambiente) dentro de la cañería
transporte a granel de diversos materiales tales como que está presurizada. En el ejemplo se muestra además
cal, cemento, carboncillo, azúcar, harina, yeso, etc. y un tornillo de flujo másico como alimentador (para
en que la descarga de la tolva a los silos de asegurar flujo másico de descarga en el silo), una
almacenamiento se realiza en forma neumática. válvula rotatoria tipo ‘airlock’, una tee en la unión con
la cañería, los silos de almacenamiento, la cañería,
1.1 Sistema de fase diluída y baja presión codos y un filtro de mangas.

Diversos tipos de sistemas existen para el transporte 1.2 Diagrama de estado
neumático de materiales sólidos a granel, incluyendo
sistemas abiertos o cerrados, de presión positiva o Una de las maneras más sencillas de describir el
negativa, de flujo diluído o denso, continuos o batch, funcionamiento de un sistema de transporte neumático
etc. Actualmente, los sistemas de transporte neumático es mediante el diagrama de estado. En él se grafica
de baja presión positiva, continuos, de alta velocidad y para un sistema en particular la caída de presión por
fase diluída, son los más usados en la industria debido unidad de largo de la cañería, P/L, en función de la
a su mayor capacidad de transporte en cuanto a flujo, velocidad del gas de transporte, Ug, para curvas de
mayores distancias de transporte, el flujo es muy flujo de sólidos constante, Ws, como parámetro.
estable y se puede controlar y regular fácilmente, y
porque permiten transportar materiales desde un punto La Figura 2 muestra esquemáticamente el diagrama de
de alimentación a varios puntos de descarga. Por lo estado para materiales gruesos y finos. Claramente, la
tanto, el presente trabajo aborda este tipo de sistemas caída de presión depende de la velocidad del gas de
de transporte neumático y no se incluyen los sistemas transporte y del flujo de sólidos. En el caso de
en fase densa ni de presión negativa. sistemas en fase diluída, la caída de presión aumenta
al aumentar la velocidad del gas, característica típica
A modo de ejemplo, la Figura 1 muestra de este tipo de sistemas. En cambio, en el caso de
esquemáticamente los componentes básicos de un sistemas en fase densa, la caída de presión aumenta al
sistema de transporte neumático en fase diluída, disminuir la velocidad del gas debido a la mayor
continuo y de baja presión positiva (inferior a 1 bar). fricción de pared y menor área efectiva de la cañería.
FILTRO
Existe una zona inestable entre ambos, y una zona
DE MANGAS
salida del aire bajo la cual ya no es posible transportar un material
ENTRADA
TANGENCIAL (velocidad mínima de transporte).
SILO

MATERIAL GRUESO MATERIAL FINO

flujo denso
CAÑERIA SILO flujo
TOLVA DE
estable
inestable
FLUJO MASICO

Ws
P/L

no
P/L

entrada M
flujo Ws
de aire
ALIMENTADOR
CAIDA DE PRESION ,
CAIDA DE PRESION ,

DE TORNILLO
VALVULA
M
ROTATORIA
CODO
M
ZONA DE ACELERACION

SOPLADOR
flujo diluído

Figura 1: Esquema de un sistema de transporte VELOCIDAD DEL GAS , U g VELOCIDAD DEL GAS , U g

neumático en fase diluída y de baja presión positiva.
Figura 2: Diagrama de estado de un sistema de
transporte neumático para materiales gruesos y finos.


1.3 Diseño de sistemas de transporte neumático velocidades o elevados flujos de sólidos pueden sufrir
la depositación de partículas sobre el fondo de la
Para diseñar y/o seleccionar un sistema nuevo de cañería, flujo errático de material, e incluso llegar a
transporte neumático y/o para comprobar si un sistema tapar o embancar la cañería, lo cual detiene
existente opera adecuadamente, el primer paso es completamente el sistema. Por lo tanto, como
determinar las características físicas y de fluidez del determinar la velocidad óptima de transporte es
material a manejar. Además, la naturaleza del material considerado uno de los pasos más importantes en el
a transportar es de vital importancia y puede limitar correcto dimensionamiento y operación de sistemas de
significativamente la elección de un sistema de transporte neumático.
transporte neumático. Es imprescindible conocer las
siguientes propiedades: Aún no existe un procedimiento universalmente
reconocido para determinar la velocidad mínima de
Tamaño de partículas: máximo, mínimo y la transporte en base a las características de los
distribución granulométrica, materiales a transportar, dimensiones y trazado de la
Densidad y forma de las partículas, cañería, y las condiciones de operación del sistema
Fluidez del material y su permeabilidad, para un material y sistema de transporte neumático en
Otros: abrasividad, toxicidad, fragilidad, dureza, particular. Una diversidad de correlaciones empíricas
reactividad, compresibilidad, tendencia a y semi-empíricas para estimar este parámetro se han
segregarse, efectos electrostáticos, etc. ido acumulando en la literatura especializada junto
con una serie de términos y definiciones como
El segundo paso es realizar ensayos de laboratorio en velocidad crítica de transporte, velocidad óptima de
un sistema de transporte neumático “similar” para transporte, velocidad de desprendimiento, velocidad
determinar experimentalmente parámetros tales como de depositación, etc. que “más que ayudar a un usuario
el tipo de flujo desarrollado en la cañería, la velocidad lo confunden” al momento de tener que estimar la
mínima de transporte del material, la relación de carga velocidad mínima de transporte para un material
( ) y la caída de presión ( P/L) en función de la determinado. Estos términos y definiciones para
velocidad de transporte (Ug). Con estos datos se podrá referirse a la velocidad mínima de transporte se basan
construir el diagrama de estado para determinar el en observaciones visuales del tipo de flujo
punto óptimo de operación, y seleccionar y desarrollado, mediciones de la caída de presión y/o
dimensionar los componentes básicos que conforman mediciones de la velocidad de partícula. [1]
el sistema, como se ilustra en la Figura 3.
Dos tipos de flujo se pueden distinguir claramente en
sistemas de transporte neumático horizontales: flujo
curva característica W s2 > Ws1 sobre la velocidad mínima de transporte y flujo bajo la
del soplador
P/L

velocidad mínima de transporte del material, como se
mencionó anteriormente. En el primer caso, las
CAIDA DE PRESION ,

punto de operación
velocidad mínima
para Ws1
de transporte partículas fluyen a alta velocidad, en suspensión y
homogéneamente dispersas en la misma dirección que
el aire (flujo homogéneo). En el segundo caso, algunas
partículas se depositan en el fondo de la cañería
aire sólo
Ws = 0
mientras otras deslizan sobre estas dunas en reposo,
como se muestra esquemáticamente en la Figura 4.
VELOCIDAD DEL GAS , U g

Figura 3: Determinación del punto de operación de
un sistema de transporte neumático en fase diluída.
(A) (B)

Uno de los parámetros más importantes para el diseño
y la operación eficiente de sistemas de transporte Figura 4: Flujos en cañerías horizontales: sobre (A) y
neumático en fase diluída es la correcta determinación bajo (B) la velocidad mínima de transporte.
de la velocidad de transporte para un material y
sistema en particular. Este parámetro afecta además el Si bien flujos bifásicos (gas + sólidos) en cañerías
tipo de flujo desarrollado en la cañería y la caída de obedecen a todas las leyes de la Mecánica de los
presión. Fluidos, aún no se dispone de soluciones teóricas a
partir de estos principios básicos. Su naturaleza
Sistemas de transporte neumático diseñados para turbulenta, el gran número de variables involucradas,
operar a altas velocidades (flujo homogéneo) están la interacción caótica entre ambas fases, y la gran
sujetos a un alto consumo de energía, posible variedad de materiales manejados hacen todavía muy
degradación y/o segregación del material, y desgaste complejo la modelación teórica de este tipo de flujos.
excesivo de cañerías y codos, lo cual se puede Por lo tanto, estudios experimentales resultan muy
traducir en una operación costosa y poco rentable. Por necesarios y contribuyen con una base de datos para
otro lado, sistemas diseñados para operar a bajas entender mejor el fenómeno y para poder diseñar y
operar sistemas adecuadamente.


Más detalles y un diagrama de bifurcación propuestos
para estudiar el flujo de partículas en sistemas de
transporte neumático, incluyendo ambos fenómenos
de depositación y desprendimiento de partículas
sólidas en cañerías horizontales y su relación con la
velocidad mínima de transporte, se puede consultar en
la referencia [2].

2. EXPERIMENTAL

Uno de los proyectos de investigación desarrollados
actualmente por el CITRAM es el transporte
neumático de materiales sólidos a granel. Para esto se
diseñó e implementó un sistema a modo de “banco de
pruebas” con la instrumentación necesaria para la
determinación experimental de parámetros tales como: Figura 5: Ensayos con gritz de maíz: Punto de
velocidad mínima y óptima de transporte, velocidad alimentación de material a alta velocidad y sin
de depositación, pérdida de carga, fenómeno de acumulación.
atrición, entre otros. La información obtenida puede
conformar una base de datos que permita el adecuado
diseño y operación de este tipo de sistemas para
materiales de uso común en nuestro país. [3]

El sistema implementado corresponde a un sistema de
transporte neumático horizontal en fase diluída, con
cañerías de 57,5 mm (I.D.) con un largo total de
transporte de 6 m aproximadamente. El sistema está
compuesto por cañerías de acrílico transparente que
permiten una mejor visualización del fenómeno de
transporte y del comportamiento del material en el
interior de la cañería y punto de alimentación.

El sistema cuenta con un silo de almacenamiento y
una tolva que permiten asegurar flujo másico de Figura 6: Ensayos con gritz de maíz: Transporte
descarga. El sistema de alimentación consiste en una horizontal en fase diluída a alta velocidad (flujo
válvula de guillotina de acción on-off. En la descarga homogéneo).
de la línea se instaló un filtro de mangas para colectar
las partículas transportadas y retornar el aire de
transporte al ambiente y limpio.

El flujo de sólidos se mide a través del tiempo de
descarga del silo de alimentación (ya que posee flujo
másico de descarga). El caudal de aire de transporte se
mide mediante una placa orificio instalada antes del
punto de alimentación (flujo de aire sólo). La caída de
presión se mide con transductores instalados en varios
puntos de la línea.

Un soplador equipado con un variador de frecuencia y
válvulas dosificadoras de material permiten la
realización de pruebas a distintas velocidades y con
distintos flujos de material. De esta forma es posible
Figura 7: Ensayos con gritz de maíz: Transporte
determinar las características de transporte del
horizontal en fase diluída a baja velocidad
material bajo distintas condiciones de operación, y
(depositación de partículas).
recopilar la información necesaria para la
representación del diagrama de estado.
La Figura 8 muestra el diagrama de estado modificado
para el gritz de maíz ensayado a dos flujos de sólidos
A modo de ejemplo, las Figuras 5, 6 y 7 muestran el
de 0,05 y 0,12 kg/s, graficando la caída de presión
funcionamiento del sistema durante los ensayos
total del sistema (Ptotal) en función de la velocidad del
realizados con gritz de maíz (material seco y de buena
aire de transporte.
fluidez) para diferentes condiciones de operación.

Azúcar granulada Ug mín (m/s) (-)
Ws = 0.0827 kg/s 24 0.95
Ws = 0.124 kg/s 26 1.4
Ws = 0.277 kg/s 30 3.0

Nitrato de potasio prilado Ug mín (m/s) (-)
Ws = 0.0771 kg/s 26 1.0
Ws = 0.1560 kg/s 28 1.75
Ws = 0.363 kg/s 30 3.9

Claramente, a mayor flujo de sólidos (y relación de
carga ), mayor debe ser la velocidad del aire de
transporte para evitar problemas de inestabilidad y
eventuales obstrucciones de la cañería.
Figura 8: Diagrama de estado modificado obtenido en
forma experimental para el gritz de maíz. [3] 3.2 Diagrama de estado

3. RESULTADOS Como se mencionó anteriormente, el diagrama de
estado se utiliza para describir y representar las
Diversos ensayos de transporte se realizaron en el características de transporte neumático de un producto
sistema implementado e instrumentado con los y en un sistema en particular. Las Figuras 9, 10 y 11
siguientes materiales: gritz de maíz, azúcar granulada muestran el diagrama de estado obtenido para cada
y nitrato de potasio prilado. Las características de uno de los materiales ensayados.
tamaño y densidad de cada uno de estos productos se
entrega en la Tabla 1, desde el punto de vista del
transporte neumático. Dp/l [Pa/m]
Ws=0.0544 [kg/s]

350 Ws=0.124 [kg/s]

Tabla 1: Características principales de los productos 300
Ws=0.272 [kg/s]

ensayados. [4] 250
Polinómica (Aire
200 solo)

Material Tamaño máximo d50 (mm) 150
de partícula (mm) 100
Gritz de maíz 1,4 0,85 50
Azúcar granulada 2,0 0,80 0
Nitrato de potasio prilado 3,0 2,50 0 5 10 15 20 25 30 35
Ug [m/s]

Material Densidad real de Densidad
partícula (kg/m3) aparente (kg/m3)
Gritz de maíz 1500 800
Azúcar granulada 1500 950 Figura 9: Diagrama de estado obtenido para el gritz
Nitrato de potasio prilado 2000 1150 de maíz. [4]

3.1 Velocidad mínima de transporte
Dp/l [Pa/m].
Ws=0.0827 [kg/s].

La velocidad mínima de transporte para cada producto 300 Ws= 0.272 [kg/s].

ensayado se determinó visualmente (inestabilidad 250 Ws=0,2771 [ kg/s].

observada en el flujo) y mediante el transductor de 200 Exponencial (Curva de
Aire solo.)

presión (oscilación de la señal de P/l). La Tabla 2 150
entrega los valores recomendados para el transporte 100
neumático de cada uno de los productos y en función 50
del flujo de sólidos y la relación de carga = Ws/Wg. 0
0 5 10 15 20 25 30 35
Tabla 2: Velocidad mínima de transporte y relación Ug [m/s].

de carga. [4]

Gritz de maíz Ug mín (m/s) (-)
Ws = 0.0544 kg/s 22 0.7 Figura 10: Diagrama de estado obtenido para el
Ws = 0.124 kg/s 25 1.45 azúcar granulada. [4]
Ws = 0.272 kg/s 28 3.0


4. CONCLUSIONES
D [Pa/m].
p/l Ws=0.0771 [kg/s].
Un nuevo laboratorio especialmente dedicado al
350 W 0.156 [kg/s].
s=
manejo y transporte de materiales sólidos a granel
300 Ws=0,363 [ kg/s].
(CITRAM) formado por el Depto. de Ingeniería
250 Exponencial (Curva de
Mecánica de la UTFSM pretende investigar las
Aire solo.)
200 características y propiedades de transporte neumático
150 de los principales materiales particulados manejados
100 en Chile.
50
0 Además de contar con una metodología apropiada
0 5 10 15 20 25 30 35 para determinar la factibilidad de transportar
U [m/s].
g
neumáticamente un determinado producto, el
CITRAM permitirá establecer las directrices para
Figura 11: Diagrama de estado obtenido para el modelar analíticamente el flujo bifásico en cañerías y
nitrato de potasio prilado. [4] las condiciones necesarias para evitar problemas de
flujo, generar y transmitir conocimientos a través de la
3.3 Caída de presión investigación, apoyar la docencia en ingeniería y
formar futuros profesionales expertos en esta
Utilizando el modelo propuesto por Weber [5], la disciplina, y colaborar de manera innovadora con la
caída de presión total en un tramo de cañería industria nacional aportando tecnologías eficientes y
horizontal y con flujo desarrollado y diluido se puede recursos humanos.
representar de la siguiente manera:
Mediante la comprensión de los fenómenos de
P/lT = (1 + K* ) P/lG (1) depositación y desprendimiento de partículas sólidas
en cañerías, su relación con la velocidad mínima de
= Ws/Wg (2) transporte, los diagramas de estado y de bifurcación de
un sistema y/o material, los diferentes tipos de flujo
donde: existentes, es posible transportar eficientemente en
forma neumática materiales sólidos a granel.
P/lT = Caída de presión total del sistema por
unidad de largo [Pa/m] 5. REFERENCIAS
P/lG = Caída de presión del fluido de transporte
por unidad de largo [Pa/m] [1] F. Cabrejos and G. Klinzing, “Minimum
K = coeficiente de fricción del material [-] Conveying Velocity in Horizontal Pneumatic
= relación de carga [-] Transport and the Pickup and Saltation
WS = flujo de sólidos (kg/s) Mechanisms of Solids Particles”, Bulk Solids
WG = flujo de aire (kg/s) Handling, Vol. 14, No. 3 (1994), pp. 541-550.

La Tabla 3 entrega el valor de K promedio para cada [2] F. Cabrejos and G. Klinzing, “Incipient Motion
uno de los productos ensayados, y fue calculado en of Solid Particles in Horizontal Pneumatic
base al promedio de tres mediciones para cada punto Conveying”, Powder Technology, Vol. 72 (1992),
ensayado fijando la velocidad del aire de transporte y pp. 51-61.
el flujo de sólidos en el sistema. También se incluye el
número de puntos ensayados y el error porcentual [3] M. I. Jofré, “Diseño e Implementación de un
obtenido. Cabe destacar que estos valores son válidos Sistema Experimental para el Transporte
para relaciones de carga inferiores a 4, dadas las Neumático de Materiales Sólidos a Granel”,
limitaciones de capacidad del sistema. memoria para optar al título de Ingeniero
Mecánico Industrial, UTFSM, Oct. 2003.
Tabla 3: Coeficiente K obtenido para los productos
ensayados [4] [4] J. Rojas, “Características del Transporte de
Materiales Sólidos a Granel en un Sistema
Neumático”, memoria para optar al título de
Material N K [-] Error (%) Ingeniero Mecánico Industrial, UTFSM, Nov.
Gritz de maíz 26 0.38 8.0 2003.
Azúcar granulada 22 0.32 7.3
Nitrato de potasio prilado 23 0.46 5.5
[5] M. Weber, “Principles of Hydraulic and
Pneumatic Conveying in Pipes”, Bulk Solids
Handling, Vol. 1, No.1, Feb. 1981, pp. 57-63.

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