Alrededor del 50% o más de las sustancias que se utilizan en la industria química son sólidos a granel que requieren ser procesados, manipulados y transportados. Los sólidos a granel se encuentran en todos los sectores de la industria incluyendo la alimentación, la cosmética, la química, la producción automovilística, el procesamiento de biomasa y la gestión de residuos. Normalmente la clave del desarrollo exitoso de nuevos productos radica en partículas con perfiles de propiedades especiales. Los materiales compuestos, las celdas de combustible y los catalizadores son solo algunos ejemplos de ello. Además, las propiedades especiales de la superficie y el tamaño y la distribución de las partículas pueden manipularse para crear nuevos ingredientes activos para cosméticos y productos farmacéuticos, según recoge un informe técnico de la feria Achema.

Transportador de cadena modular. Foto: Dechema/ Jean-Luc Valentin.

El uso extendido de vainas y cápsulas para cafeteras domésticas sería inconcebible sin los conocimientos de la tecnología de partículas. Lo mismo ocurre con la sopa en polvo y las mezclas preparadas. La clave está en evitar que los ingredientes se separen después del envasado. El producto desecado tiene una vida útil más larga y es más fácil de transportar que la sopa enlatada.

Los principios básicos de muchas técnicas de procesamiento de sólidos a granel como la criba, la mezcla y el triturado no han cambiado en los últimos cien años. Sin embargo, esto no significa que no se pueda seguir innovando. El procesamiento mecánico está experimentando un renacer. Los perfiles de propiedades de los sólidos a granel son cada vez más complejos y los estándares de calidad cada vez más y más exigentes. Se sigue reduciendo, por ejemplo, el tamaño de las partículas. Hace 20 años la gama micrométrica era la norma pero hoy en día la nanotecnología se ha generalizado, lo que ha generado la necesidad de distribuciones más finas.

Actualmente se conocen bien las propiedades de los fluidos pero siempre pueden ocurrir cosas sorprendentes durante la manipulación de polvos y granulado. Esto es algo de lo que los operadores de equipos y plantas son muy conscientes. ¿Qué hace que la manipulación de sólidos a granel sea tan complicada? Un sólido a granel puede llenarse fácilmente pero la formación de puentes con un segundo producto puede resultar difícil y que una tercera sustancia corra por las tuberías como un líquido. Hay productos que presentan constantemente diferentes comportamientos en ensayos de llenado idénticos o, lo que es aún peor, se forman zonas estancadas en el cuarto ensayo (y no antes), descartando todos los resultados anteriores. La manipulación aguas arriba de sólidos a granel también puede influir. También debe tenerse en cuenta la compactación durante el transporte y llenado.

Rara vez puede encontrarse la partícula ideal. En la mayoría de los casos, las pequeñas variaciones en el tamaño y las características de la superficie hacen que resulte difícil prever con exactitud el comportamiento de llenado y dosificación. Conocer las propiedades como, entre otras, la densidad del sólido, el tamaño y la forma de las partículas y la humedad facilita las cosas. También es importante una caracterización precisa de las propiedades del flujo ya que, de lo contrario, se puede interrumpir el flujo de procesos. La mayor parte de los fabricantes de equipos cuentan con un centro de ensayo y desarrollo donde pueden realizar pruebas e investigaciones. Los equipos de ingeniería identifican las características específicas de la industria. En la industria de los plásticos es fundamental realizar un manejo cuidadoso para evitar problemas como la formación de cabello de ángel (hebras en forma de pelo que se producen por la fricción durante la manipulación del material). A menudo en las plantas químicas es obligatorio el uso de protección contra explosiones. La manipulación de material higiénico es la prioridad número uno en las industrias alimentaria y farmacéutica.

Las nanopartículas plantean retos especiales a los operadores de equipos y expertos en sólidos a granel. Estos productos ya se están utilizando de manera industrial en cosméticos y detergentes. Se han depositado grandes esperanzas en su uso en el sector médico para el suministro de medicamentos e incluso para administrar fármacos únicamente cuando alcancen las células cancerígenas para poder evitar así los efectos terapéuticos secundarios.

El tamaño, la forma y las propiedades de la superficie de las nanopartículas influyen de forma directa en las características del producto de elementos como los semiconductores y las células solares. Con las técnicas actuales resulta difícil clasificar las partículas de < 20 nm. Las fuerzas electrostáticas y la interacción molecular predominan sobre la masa o la densidad. Aún es necesario llevar a cabo numerosas investigaciones sobre la caracterización, las propiedades, el procesamiento y la clasificación de las nanopartículas. Los científicos capitalizan los conocimientos de otras disciplinas que ya cuentan con una amplia experiencia en la manipulación de grandes moléculas y pequeñas partículas. Se están aplicando a las nanopartículas, y con resultados prometedores, las técnicas cromatográficas que se utilizan en la purificación de proteica.

El empleo de nuevas técnicas ópticas o combinaciones de distintos métodos de medición permiten medir el tamaño y la morfología de las partículas online durante la producción en curso.

Decantador centrífugo. Foto: Dechema / Jean-Luc Valentin,

Hace algunos años, existía la opinión general de que los sólidos a granel son impredecibles pero con el paso del tiempo esta actitud ha cambiado. Gracias a la mayor potencia informática de la que disponemos hoy día, la simulación a través de técnicas como el análisis de elementos finitos resulta una herramienta de optimización de procesos efectiva.

La ventaja de metodologías como la simulación basada en la CFD (dinámica de fluidos computacional) es que un buen modelo permite a los equipos de ingeniería investigar de manera segura muchos detalles y parámetros de los procesos. Mediante la simulación se puede obtener importante información sobre las condiciones locales en muchas partes distintas del equipo. Las operaciones de llenado en un silo con un alto y bajo nivel de carga o las condiciones de flujo en un mezclador pueden optimizarse utilizando el modelo. La lista de parámetros puede incluir la ubicación del punto de llenado, el tamaño del filtro, los sólidos a granel en cuestión y su temperatura. También se pueden desarrollar buenas soluciones para geometrías y configuraciones de montaje complejas, para reducir así los costes de ensayo y desarrollo.

El análisis de partículas también permite conocer de manera detallada el proceso. La visualización presenta enormes ventajas. Gracias a ella se entiende lo que ocurre en las interfaces y cómo esto afecta al proceso. Como consecuencia, pueden controlarse con mayor precisión propiedades como el tamaño, la morfología de los cristales y la forma de las partículas. Esto es importante para el desarrollo de medicina personalizada en la que se elaboran ingredientes activos a medida de cada paciente.

Normalmente cuando se manipulan sólidos a granel el objetivo es mantener el flujo del material. La elección de la puerta adecuada, un cambio en la dirección del flujo de horizontal a vertical y un diseño detallado del silo mantienen los sólidos a granel en movimiento. Pueden conseguirse muchas mejoras con la modificación de la distribución del tamaño de las partículas o la formación de aglomerados o microgranulados. Esto incluye la eliminación de finos, cambiando el proceso de triturado o recubriendo la superficie con agentes promotores del flujo de grano muy fino.

Un buen conocimiento del producto evita el desgaste prematuro del equipo. Normalmente el desgaste depende más del diseño del sistema que de los sólidos a granel. Puede que los cambios de diseño no eviten el desgaste pero pueden reducir el índice de deterioro. La modificación del ángulo o de la velocidad de impacto puede aumentar la vida útil del equipo a largo plazo.

En los últimos 15 años los equisitos de la industria farmacéutica se han vuelto cada vez más exigentes. El transporte sin polvo, por ejemplo, de un contenedor a un mezclador es una prioridad fundamental para evitar la contaminación cruzada y factores como una mayor manipulación de ingredientes activos de alta potencia, que tienen importantes repercusiones de seguridad para los empleados. En las industrias alimentaria y química la situación es similar. Es importante que el entorno esté libre de polvo para evitar la contaminación cruzada con alérgenos así como riesgos para la seguridad de las personas y situaciones peligrosas provocadas por el polvo en suspensión.

La proliferación de tipos de contenedores supone un gran dolor de cabeza para los equipos de diseño. Los sólidos a granel en bruto y los productos intermedios y acabados se manipulan y transportan en grandes bolsas, cartones octogonales, barriles, sacos, contenedores móviles y mucho más. Las distintas alturas de conexión para la carga y descarga son otro problema. Los fabricantes de equipos pueden verse obligados a realizar modificaciones especiales o cambios en el diseño, lo que puede salir caro. La respuesta es diseñar versatilidad en los sistemas.

A menudo las estaciones de transferencia cuentan con una dosificación precisa y uniforme, una funcionalidad que resulta esencial para la producción de alta calidad de muchos productos. El método de dosificación adecuado debe ser decidido de forma conjunta entre los usuarios y fabricantes, y la elección se vuelve más difícil cuando menor es el volumen manipulado. En la industria alimentaria se añaden cantidades diminutas de vitaminas con una precisión muy alta. Los requisitos higiénicos o importantes limitaciones de espacio que normalmente se dan en la industria de los plásticos son otros factores que pueden dificultar la dosificación.

La protección contra las explosiones es una cuestión que la mayoría de las tecnologías para sólidos a granel debe contemplar. Solo en Alemania, se calcula que se produce una explosión de polvo al día. Puede que estos acontecimientos no siempre tengan consecuencias trágicas pero es evidente que es necesario tomar muy en serio este problema. El límite inferior de explosión (LEL) para muchos tipos de polvo es de 20 - 125 g/m³. Normalmente la densidad aparente de los tipos de polvo en entornos industriales es de alrededor de 800 kg/m³. Si pensamos en una capa de polvo de 1 mm y una sala con 3 metros de alto, esto equivaldría a 270 g/m³. Cualquier corriente de aire que levantase polvo bastaría para crear una mezcla de polvo/aire potencialmente explosiva. La protección contra explosiones es obligatoria en muchas aplicaciones.

Filtros fabricados por diversas capas. Foto: Dechema/ Jean-Luc .Valentin.

El principal enfoque de la protección contra explosiones es minimizar o eliminar uno o varios elementos del triángulo de explosión (fuente de ignición, oxígeno y polvo). Se puede encontrar una alternativa no combustible al material combustible. La inertización con nitrógeno puede reducir la concentración de oxígeno. También es importante eliminar las fuentes de ignición como operaciones de soldadura, superficies calientes, ondas electromagnéticas y gas caliente. Una vez hecho esto, los desarrolladores ya pueden buscar formas de mitigar los efectos de una explosión. Una posibilidad es diseñar un equipo que cuente con descarga de presión explosiva, supresión de explosiones y volumen de explosiones limitado, de forma que sea capaz de soportar la presión explosiva.

Las medidas organizativas también forman parte de una estrategia de protección contra explosiones efectiva. Esto puede incluir normas tan sencillas como prohibir fumar, limpiar con regularidad, eliminar el polvo, realizar comprobaciones periódicas de la conexión a tierra y comprobar que las máquinas se están utilizando para el propósito previsto. También es importante registrar todas las medidas en un documento de protección contra explosiones. Una estrategia de protección contra explosiones documentada proporciona suficientes pruebas para las autoridades y garantiza un programa de protección contra explosiones efectivo. La colaboración entre el usuario y el proveedor va más allá del suministro de componentes individuales. Previamente a la entrega se proporciona información detallada sobre cuestiones como cambios en las leyes y reglamentaciones pertinentes. La experiencia de los últimos años ha demostrado que no es conveniente separar de forma estricta la protección contra incendios de la protección contra explosiones durante el almacenamiento de sólidos a granel. Para empezar, no siempre se puede determinar si el desencadenante de un incidente ha sido el incendio o la explosión. Además, se ha demostrado que los dos tipos de protección se complementan entre sí.

Mientras que en las industrias farmacéutica y cosmética es común manipular cantidades diminutas, en el reciclado de metal el material se manipula a una escala completamente distinta, al menos al principio de la cadena de procesamiento. El término “minería urbana” se refiere a la recuperación de materiales valiosos de automóviles, electrodomésticos o incluso de antiguos vertederos. Una tonelada de chatarra de placas madre de PC contiene 30 veces más oro que una tonelada de mineral de oro. Se calcula que los vertederos alemanes albergan 250.000 toneladas de metales de las tierras raras. La recuperación de material reutilizable es un laborioso proceso que requiere mucha energía. Si no se extrae la placa madre del PC antes de echarlo a la trituradora, luego resulta muy difícil o imposible llegar a los microelementos importantes, en cuyo caso puede llegar a perderse hasta el 75% del oro. Son necesarios procesos especiales de triturado y clasificación para obtener mejores resultados.

Foto: Dechema / Helmut Stettin.

La secuencia de proceso empieza con el procesamiento mecánico basado en técnicas convencionales de triturado y clasificación, que repercuten de modo crucial en los siguientes pasos del proceso así como en la viabilidad de la minería urbana. Aún es necesario llevar a cabo un gran trabajo de investigación y desarrollo en este sentido. Uno de los puntos que es necesario abordar es el procesamiento de sistemas de partículas polimetálicas finamente dispersas de < 10 µm. Aún queda trabajo por hacer en materia de técnicas de clasificación para sistemas de partículas ultrafinas con granos muy finos (de < 50 µm, principalmente en el rango de 0,1 µm - 10 µm) y sobre triturado energéticamente eficiente.

Sin embargo, aunque se encuentre un proceso rentable, no es seguro que se vaya a conseguir una amortización de la inversión a largo plazo. Las fluctuaciones de los ingresos generados a partir de los materiales reciclados tienden a situarse en el rango de dos dígitos. Un sistema que actualmente está generando un buen retorno podría convertirse rápidamente en una carga financiera. Además, un flujo constante de nuevos materiales y compuestos dificulta cada vez más la recuperación. Los sistemas del futuro deberán ser lo suficientemente versátiles como para manejar flujos de material que pueden variar en composición. También es importante ver más allá de nuestras narices. El reciclaje siempre implica una larga cadena de proceso que se extiende desde los consumidores hasta las compañías de reciclaje y metalurgia. La viabilidad económica de todo el proceso depende de cada uno de los eslabones de la cadena.