Aplicación de la tecnología Jet Milling para mejorar la eficiencia del proceso

Kyle Shanley, ingeniero de procesos, NETZSCH Premier Technologies LLC | 31 de marzo de 2023

En el mundo de la reducción del tamaño de partículas, la molienda por chorro siempre ha sido un medio ideal para lograr partículas finas. Los molinos de chorro reciben su nombre por su fuente de energía de molienda: gas comprimido expandido a través de una boquilla o boquillas para crear un chorro de gas de alta velocidad. Si bien ha habido muchas variaciones en los diseños de equipos que utilizan esta tecnología básica, los molinos de chorro de lecho fluidizado modernos con clasificación interna muestran muchos beneficios sobre otros tipos de molinos de chorro.

Utilizan chorros opuestos dentro de un lecho de material y un clasificador de aire dinámico incorporado para controlar el corte superior PSD (distribución del tamaño de partículas). Esta configuración proporciona colisiones de partícula a partícula a alta velocidad dentro del lecho fluidizado, al tiempo que limita el contacto de alta velocidad con las superficies internas del molino. Esto hace que estos molinos sean ideales para manipular materiales de una amplia variedad de dureza y abrasividad sin desgaste excesivo de la máquina ni contaminación del material, ideales para materiales que requieren alta pureza o color limpio. Las velocidades en los chorros también pueden ser las más altas observadas en cualquier tecnología de fresado, lo que les permite moler materiales hasta obtener los PSD más finos. Además, debido a que utilizan un gas como medio para la molienda, es muy fácil controlar la temperatura y se puede lograr un aumento de temperatura esencialmente nulo dentro del molino.

Los molinos de chorro son sin duda la más flexible y versátil de todas las tecnologías de fresado, pero a menudo quedan excluidos de determinadas aplicaciones e industrias. Un proceso tradicional de fresado por chorro suele funcionar con una presión de boquilla de molienda de alrededor de 7 barg a 250 ˚C. Un compresor de aire debe utilizar cantidades notables de energía para producir aire comprimido a esta presión y temperatura. Se utiliza aún más energía si el aire debe estar libre de aceite y seco, como es habitual en los procesos de fresado por chorro. Esto deja fuera de muchos procesos la forma más versátil y beneficiosa de reducción del tamaño de partículas debido a los altos costos de inversión de capital o los altos costos de energía. Esto ha llevado a muchas ideas preconcebidas de que el fresado por chorro solo está reservado para materiales de alto valor, materiales que requieren las mejores PSD o materiales que requieren alta energía para ser fresados. Sin embargo, la verdad es que un molino de chorro puede funcionar de diferentes maneras y puede ser ideal para muchas aplicaciones que históricamente se han alejado de esta tecnología. Aquí examinaremos las posibilidades de crear un proceso de molienda por chorro eficiente que se adapte a una amplia gama de aplicaciones, centrándonos en el molino de chorro de lecho fluidizado.

Si queremos encontrar formas de mejorar la eficiencia energética y el coste de un proceso de molienda por chorro, debemos fijarnos en la principal fuente de consumo de energía: el compresor de aire. Es bien sabido en la industria que la compresión de aire no es inherentemente un proceso eficiente, con muchos compresores de alta presión en el rango de eficiencia del 40 al 60%. Para solucionar esto, buscamos un compresor de aire estándar sin aceite de dos etapas (Figura 1). Para alcanzar la presión y temperatura deseadas, el aire ambiente primero se comprime hasta aproximadamente 4 barg y luego se calienta hasta aproximadamente 2000 ˚C. Luego, este aire se enfría y se comprime nuevamente, donde alcanza hasta 8,0 barg y se calienta nuevamente a alrededor de 1600˚C (los valores exactos pueden variar). Si se necesita aire de molienda a temperatura ambiente, este aire ahora debe enfriarse nuevamente, dejándonos con cuatro pasos para alcanzar aire comprimido a alta presión y temperatura ambiente. Entonces, ¿qué pasa si comenzamos a eliminar algunos de estos pasos del compresor de aire?

Figura 1: Etapas del compresor de aire sin aceite

Podemos considerar dos escenarios principales: Eliminación de la etapa de enfriamiento final, dándonos hasta 8 barg y 1.600˚C de aire, o eliminación de ambas etapas de enfriamiento y la segunda etapa de compresión, dejándonos hasta 4 barg y 2.000˚C. Pero debemos entender cómo afectará esto al funcionamiento de nuestros molinos de chorro. A continuación puede ver algunos valores que podrían lograrse en un molino de chorro de lecho fluidizado de diseño común.

Figura 2: Escenarios de molino de chorro en el molino de chorro de lecho fluidizado NETZSCH CGS 50

Lo que vemos aquí es que la temperatura del aire tiene un efecto directo sobre la velocidad del aire después de las boquillas y, por tanto, sobre la energía de molienda. Ahora no solo hemos eliminado pasos del proceso de compresión de aire, sino que también hemos mejorado la entrada de energía a nuestro proceso de molienda con menos volumen de gas. Esto se ve drásticamente cuando consideramos el gas de molienda a 3,2 barg y 200 °C, a veces conocido como proceso “E-Jet”, donde veremos mayores velocidades y entrada de energía en comparación con el gas de molienda a 7,0 barg y 25 °C. Entonces aquí tenemos el beneficio para la operación del molino de chorro, pero ¿cómo afecta esto a la operación del compresor de aire? A continuación puede ver algunas eficiencias comunes de los compresores de aire para diferentes configuraciones de compresores de aire.

Figura 3: Eficiencias comunes de los compresores de aire

Se puede ver que a medida que eliminamos las etapas de enfriamiento y compresión, mejoramos la eficiencia del compresor, con un compresor de una sola etapa, no enfriado, que teóricamente alcanza el 100%. Esto tiene el beneficio adicional de reducir el costo capital del compresor cada vez que se elimina un paso, así como ahorros en cualquier medio de enfriamiento utilizado en los pasos de enfriamiento.

Por supuesto, se requieren algunas modificaciones en los propios molinos de chorro para manejar gas a alta temperatura y funcionar de manera ideal a estas temperaturas y presiones. Los molinos de chorro que funcionan con gas caliente pueden utilizar un diseño de cojinete lubricado con aceite, que tiene una mayor vida útil y confiabilidad que los cojinetes engrasados ​​a estas temperaturas más altas. Pero en general, incluso con algunas modificaciones en el equipo, siempre se verá una reducción de costos y energía.

Ahora hemos visto una oportunidad para mejorar la eficiencia del fresado por chorro mediante la eficiencia del compresor, pero ¿se puede llevar esto más lejos? Se ha determinado que hay aplicaciones en las que podemos reducir aún más la presión de la boquilla de molienda. Existe un abanico de aplicaciones, normalmente materiales que necesitan desaglomeración o muy poca energía para su molienda, que históricamente han sido procesados ​​mediante algún tipo de molienda mecánica por impacto (molinos clasificadores de aire, molinos de martillos, molinos de púas, etc.). La mayoría de las moliendas que utilizan impacto mecánico utilizan velocidades entre 100 y 250 m/s para acelerar las partículas. ¿Qué pasa si consideramos que la presión de la boquilla de molienda en un molino de chorro es inferior a 1 barg, o incluso tan baja como 0,3 barg? En este rango, ahora podemos ver velocidades de chorro entre 150 y 300 m/s, lo que significa que la velocidad de la boquilla del molino de chorro es similar a la observada en los procesos de fresado mecánico. Pero simplemente hacer coincidir la velocidad y la entrada de energía no significa necesariamente que los procesos generales sean comparables cuando se analiza la eficiencia. Ahora debemos mirar los datos comparativos y qué se puede hacer con respecto a la eficiencia del fresado por chorro con estas bajas presiones.

Una solución considerada es retirar el compresor de aire por completo y reemplazarlo con un soplador de desplazamiento positivo, generalmente un soplador de pistón giratorio. Esto nos permite acercarnos al 100% de eficiencia en la generación de presión de aire de hasta 1 barg, reduce el costo del capitolio y reduce el consumo de energía en comparación con un compresor de aire de tipo tornillo. También hay que mirar las pruebas comparativas entre molinos mecánicos y molinos de chorro. Estas comparaciones se centraron específicamente en los molinos clasificadores de aire, donde la entrada de energía se realiza a través de batidores en un rotor y el tamaño de las partículas se controla mediante un clasificador de aire dinámico incorporado. Lo que se puede observar en algunas aplicaciones son tasas de producción más altas del molino de chorro de baja presión con la misma calidad del material final. Por supuesto, esto variará según el material y la aplicación, pero se han encontrado muchos mediante diversas pruebas. Cuando ahora observamos el proceso completo, podemos ver una mejora general en la energía y la eficiencia de molienda específicas. Se pueden encontrar resultados similares con boquillas de molienda con presiones entre 1 y 3 barg. En estos casos, debemos volver a un compresor de aire, pero podemos usar compresores de una sola etapa y utilizar una potencia del motor instalada mucho menor para lograr estas presiones más bajas.

Ahora tenemos los beneficios de operar y mantener un molino de chorro, especialmente en comparación con los molinos mecánicos, que siempre tendrán más piezas de desgaste y requerirán más mantenimiento a largo plazo, y aún tendrán un proceso energéticamente y rentable. Estos beneficios se vuelven aún más evidentes cuando hablamos de materiales duros y abrasivos, o de procesos que requieren alta pureza y contaminación limitada. Existen muchas ventajas de costos y menos limitaciones al implementar protección contra el desgaste o procesamiento sin hierro en un molino de chorro en comparación con los molinos mecánicos o, más específicamente, los molinos clasificadores de aire. Debe tenerse en cuenta que la mayoría de los diseños de molinos de chorro estándar no funcionarán de manera óptima con estas presiones bajas de las boquillas de molienda, especialmente por debajo de 1 barg, y se deben realizar algunas modificaciones en la máquina base. Se han realizado investigaciones en esta área dentro de la industria y se encuentran en el mercado ejecuciones especiales de molinos de chorro de lecho fluidizado ideales para estas bajas presiones.

Ahora hemos analizado dos formas diferentes en que se puede cambiar la operación del molino de chorro para adaptarse a más aplicaciones, pero en ambos casos analizamos principalmente el molino de chorro de aire (también podría aplicarse a gases inertes). Sin embargo, existe otro medio utilizado en la molienda por chorro que se puede explorar: el vapor. Aquí veremos cómo la molienda por chorro de vapor puede afectar la eficiencia del proceso, nuevamente con respecto específicamente al diseño de un molino por chorro de lecho fluidizado. Este diseño de molino de chorro de vapor que utiliza un lecho fluidizado y una clasificación dinámica de aire incorporada, es algo exclusivo de la industria y juega un papel importante en las posibilidades de uso del vapor.

A menudo se considera la molienda por chorro de vapor debido a la necesidad de un aporte de alta energía. El vapor sobrecalentado suele generarse hasta 40 barg y 350 ˚C, en algunos casos incluso más. Estas temperaturas y presiones permiten velocidades de boquilla de molienda muy altas, hasta 2 o 3 veces la velocidad del sonido en algunos casos. El vapor también tiene una viscosidad más baja en comparación con el aire ambiente, lo que permite la clasificación dinámica del aire para clasificar partículas aún más finas. Estos dos puntos significan que una aplicación muy común para la molienda por chorro de vapor es la molienda súper fina, pero ¿tal vez haya más que hacer con el vapor?

Como hemos aprendido del fresado por chorro de aire, el proceso de comprimir aire es relativamente ineficiente a presiones más altas, entonces, ¿dónde se compara el vapor en eficiencia de generación? Si consideramos aquí vapor de 40 barg a 350˚C, se puede generar con una eficiencia de hasta el 90%, mucho más que los compresores de aire de alta presión estándar. Ahora debemos comparar esto directamente con el fresado por chorro de aire.

En muchos casos, se puede observar que cuando un material se muele con el mismo PSD en el mismo tamaño físico y diseño de molino de chorro de aire y molino de chorro de vapor, se observa un mayor rendimiento con el molino de chorro de vapor. Por supuesto, estamos invirtiendo mucha más energía en el material usando vapor, por lo que esto es de esperar, pero aquí existe alguna oportunidad para mejorar el proceso. Si bien podemos ver un aumento en el rendimiento, casi siempre tendremos una energía de molienda específica comparable, por lo que en la superficie puede parecer que la eficiencia del proceso no se ha visto afectada. Sin embargo, cuando ahora consideramos la potencia y la eficiencia de la generación de vapor versus la generación de aire comprimido, a menudo vemos un mejor consumo de energía en todo el sistema.

Los molinos de chorro de vapor y los generadores de vapor a menudo requieren una mayor inversión de capital, pero para aplicaciones en las que es importante una alta producción sin ignorar por completo el consumo de energía, el uso del vapor tiene un gran potencial. Al igual que otros procesos de molienda por chorro, cierta optimización del proceso mediante pruebas puede ayudar a obtener las presiones y temperaturas de vapor ideales necesarias para una mejora específica de la energía de molienda. El vapor a alta presión y temperatura también tiene algunas propiedades únicas, capaz de eliminar la humedad de muchos materiales e incluso secar lechadas de suspensiones de materiales en determinadas condiciones. En estos casos, también utilizamos diseños de molinos de chorro de lecho fluidizado para nuestros molinos de chorro de vapor, por lo que aún podemos aprovechar las ventajas de este diseño para la protección contra el desgaste y la molienda libre de contaminación, lo que significa que una amplia gama de aplicaciones pueden utilizar esta tecnología.

Si bien las diferentes formas de molienda fina siempre serán necesarias para una variedad de aplicaciones, hemos aprendido que el proceso de molienda por chorro puede ser ideal para muchas industrias y aplicaciones. Siempre debemos considerar las limitaciones de los diferentes procesos, por ejemplo, los materiales con limitaciones de temperatura no pueden obtener los beneficios de la molienda con vapor o chorro de gas caliente. También sabemos que hay materiales que requieren diferentes tipos de fuerzas de impacto y corte que no siempre se observan en un molino de chorro. Sin embargo, a través de nuevas innovaciones y la exploración del funcionamiento del molino de chorro, incluso las aplicaciones que históricamente se consideraban fuera del alcance del molino de chorro pueden ser la opción adecuada.

El aspecto más importante para determinar lo que es posible es la optimización del proceso mediante pruebas de materiales. Es importante comprender cómo las variaciones de temperatura y aportes de energía afectan el proceso de molienda de un material específico. Utilizando la experiencia de la industria y los laboratorios de prueba disponibles, siempre se puede obtener una optimización específica de la energía de molienda, lo que nos indica el mejor proceso de molino de chorro. Idealmente, se pueden utilizar laboratorios de pruebas con múltiples formas de molienda fina, lo que permite no solo optimizar los procesos de molienda por chorro, sino también compararlos con otros equipos para encontrar realmente el proceso óptimo. La conclusión más importante de la información presentada y de la extensa investigación realizada en esta industria es que el fresado por chorro no debe considerarse inmediatamente como un proceso costoso y que consume mucha energía, y cada día encontramos nuevas formas de mejorar los procesos a través de la exploración. de fresado por chorro.

Kyle Shanley es ingeniero de procesos en NETZSCH Premier Technologies LLC con más de una década de experiencia en procesamiento en seco. Supervisa las pruebas de laboratorio de los clientes en los laboratorios de pruebas de los clientes en Exton, PA. Es responsable del diseño de procesos de alto nivel y de la ampliación y optimización de procesos de equipos secos. También supervisa el desarrollo y la instalación de nuevos equipos en los laboratorios de pruebas. Para obtener más información, visite www.netzsch.com/en.

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