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Entender las propiedades del polvo es el primer paso para un buen diseño o un mantenimiento eficiente de una instalación industrial. Desafortunadamente, no siempre se dispone de todos los datos interesantes para el ingeniero. Esta sección se centra en los datos más importantes. Se enumeran y describen en la siguiente tabla.

¿Cuáles son las propiedades de los polvos?

Tabla 1: Propiedades de los polvos

Propiedad	Unidad	Interés	Cómo medir
Densidad aparente	kg/l	Tamaño de recipientes, mezcladores, bolsas, alimentadores... todos los elementos que contienen polvo o dosifican polvo Nota: la densidad aparente puede referirse como compactada o no compactada (también llamada densidad suelta). La no compactada debe considerarse siempre que el polvo esté aerado (en un receptor después de un transporte neumático, por ejemplo)	La densidad aparente se puede medir pesando un volumen dado de sólidos a granel. La muestra puede estar compactada o no.
Densidad aparente de partículas	kg/l	La densidad aparente de partículas será relevante cuando el movimiento del sólido ya no deba considerarse como una masa, sino como partículas individuales. Es el caso de algunas tecnologías de transporte neumático.	La densidad aparente de partículas se puede calcular a partir de la densidad esquelética y la porosidad de las partículas
Densidad esquelética	kg/l	Se utiliza para calcular la densidad aparente de partículas	La densidad esquelética se puede medir por pycnometría de gas (por ejemplo, helio)
Fuerza cohesiva		La fuerza cohesiva se utilizará en diseño de silos / tolvas para calcular el tamaño adecuado de la salida	Células de cizallamiento (ver explicaciones a continuación)
Fricción con la pared	Grados	La fricción con la pared se utiliza para calcular el ángulo de las tolvas cónicas, así como el parámetro de fricción interna	Células de cizallamiento (ver explicaciones a continuación)
Permeabilidad		La permeabilidad dará una indicación de la capacidad de los sólidos para retener aire. Es un parámetro utilizado al calcular las tasas de descarga y los tiempos de sedimentación	Rheómetro de polvo avanzado, fluidificación
Segregación tendencia		Proporcionará información interesante sobre los riesgos de segregación que pueden ocurrir al manipular un polvo (segregación al descargar, dificultad para mezclar...)	Pruebas de homogeneidad
Deslizamiento en puntos de impacto		Ayudará a determinar el ángulo de tubería después de una tolva, para permitir que el polvo resbale (hacia un mezclador, un relleno de bolsa...)
Friabilidad de partículas		¿Es la partícula frágil? ¿Podemos anticipar medidas particulares para transportarla, mezclarla?
Distribución del tamaño de las partículas (PSD)		Un control del PSD puede ser necesario para una aplicación final específica o para controlar la entrada en pasos de proceso posteriores. Medir un PSD es particularmente importante para los procesos de trituración / reducción de tamaño.	El método de medición puede ser más o menos complejo y preciso. Una forma simple de proceder es realizar un análisis de tamizado, pero es bastante burdo. Los métodos automatizados proporcionan una distribución de tamaño de partículas más precisa y rápida; un método popular es la difracción de luz láser.
Forma de las partículas		Un control de la forma de las partículas puede ser necesario para las necesidades de una aplicación final específica. Conocer la forma de las partículas también puede ayudar a anticipar problemas de mezcla (formas entrelazadas que impiden una buena mezcla)	Microscopio, análisis de imágenes
Dureza	Índice de Mohs	Ayudará a evaluar cuán abrasivo será el procesamiento de los sólidos	El material se clasifica según su capacidad para ser rayado por algunos materiales de referencia

Los párrafos a continuación describirán la noción de fluidez en polvo, que en realidad abarca diferentes propiedades de sólidos a granel:

• Fuerza cohesiva
• Ángulo de fricción con la pared

También se explicará cómo determinar esas propiedades en la práctica.

Al final de la página se ofrecen algunos métodos abreviados para anticipar la fluidez.

El rendimiento de un proceso industrial se juzgará, entre otros parámetros, según su capacidad para alcanzar una velocidad nominal (expresada en términos de caudal, tiempo de ciclo o número de lotes por hora). Si un tolva que debe suministrar polvo a una determinada tasa no puede hacerlo, ya sea al principio, en medio o al final del proceso, la "velocidad" de toda la instalación se verá afectada. Por lo tanto, es de vital importancia poder predecir la fluidez de los sólidos, por ejemplo, a partir de un tolva, para el manejo de sólidos a granel.

¿Qué es la fluidez en polvo?

En esta página se explicarán las siguientes nociones, importantes para diseñar adecuadamente los tolvas y promover el flujo de sólidos:

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1. Método Jenike [Prueba de célula de cizallamiento - ¿Qué podemos obtener de ella?]

Células de cizallamiento

El probador de cizallamiento o célula de cizallamiento permitirá estimar propiedades de reología en polvo muy importantes, como la fuerza cohesiva y el ángulo de fricción con la pared, que a su vez se pueden utilizar para calcular los diámetros de salida del tolva y el ángulo de descarga.

Se deben realizar 2 pruebas de cizallamiento para determinar las propiedades:

• 1. Una prueba para medir el ángulo de fricción interna; para obtener esta propiedad, la célula de prueba medirá la fuerza necesaria para hacer que el polvo resbale sobre SÍ MISMO.
• Por otro lado, el ángulo de fricción con la pared se determinará gracias a una célula que mide la fuerza necesaria para hacer que una muestra de polvo resbale sobre una placa de MATERIAL, siendo el material comúnmente el metal en el que se construirá el silo.

Figura 1: Células Jenike

La prueba se realiza después de un paso de pre-cizallamiento que dará una cierta densidad de polvo antes de aplicar la tensión normal y el cizallamiento. Este pre-cizallamiento se puede variar, lo que dará diferentes resultados. Estos diferentes resultados se utilizarán para dibujar diferentes locus de rendimiento y calcular posteriormente diferentes propiedades del polvo (ver más abajo).

PASO 1 - Realizar la prueba

Se aplican 2 fuerzas a una muestra de polvo. Una normal, que se establece, y que se aumenta gradualmente. Y la segunda, al lado (fuerza de cizallamiento). Esta segunda fuerza se mide y corresponde a la fuerza necesaria para deslizar la muestra de material.

Cada pareja (Tensión normal; Tensión de cizallamiento) se registra y se representa. A partir de esta curva, se pueden calcular diferentes características de reología en polvo. El gráfico obtenido, llamado locus de rendimiento de la pared, se muestra a continuación (ejemplo, no un polvo real)

Las siguientes propiedades del polvo se pueden determinar a partir del gráfico obtenido (llamado "Locus de rendimiento")

Tabla 2: Resultados de las células de cizallamiento

Prueba de cizallamiento	Determinación directa	Calculado
Célula de cizallamiento que mide la interacción material / polvo	Ángulo de fricción con la pared Φ'	-
Célula de cizallamiento que mide la interacción polvo / polvo	Ángulo efectivo de fricción interna δ Ángulo estático de fricción interna Φ Tensión principal de consolidación (o compactación) mayor σ1 Fuerza cohesiva fc (también llamada Tensión de rendimiento sin confinamiento UYS)	Función de flujo de polvo (o material) (al dibujar las parejas UYS y σ1 obtenidas con diferentes pre-cizallamientos)

PASO 2 - Dibujar el locus de rendimiento

Interacción polvo-polvo

Para una pre-constricción dada, dibuja el locus de rendimiento a partir de los datos obtenidos de la prueba de la célula que prueba las interacciones polvo/polvo

Figura 2: Datos obtenidos del locus de rendimiento de la célula de cizallamiento polvo-polvo

Interacción polvo-material

Dibujar el locus de rendimiento a partir de los datos obtenidos de la célula que prueba las interacciones polvo/material

Figura 3: Datos obtenidos del locus de rendimiento de la célula de cizallamiento polvo-material

PASO 3 - Calcular la función de flujo

El locus de rendimiento se realiza según un estado de consolidación inicial. Es posible variar el estado de consolidación inicial. Al dibujar los diferentes locus de rendimiento, con diferentes estados de consolidación inicial, se obtendrán los datos para determinar la función de flujo del polvo. A continuación se muestra un ejemplo ilustrativo, con 3 locus de rendimiento.

Figura 4: Determinación gráfica de la función de flujo del polvo

A partir de los 3 locus de rendimiento diferentes, se pueden calcular 3 parejas (Tensión de consolidación mayor sigma1; Fuerza cohesiva fc).

A continuación, se puede dibujar un gráfico que muestre fc=f(sigma1). Esta es la función de flujo del material del polvo que se está probando (no confundir con el factor de flujo ff). La función de flujo proporciona información clave sobre el comportamiento del polvo, de manera más fiable que los métodos abreviados como el ángulo de reposo o algunos índices.

En el ejemplo, sólo se consideran 3 parejas, pero se utilizarán más para dibujar la función de flujo real. El gráfico se puede dividir en diferentes áreas mediante líneas rectas que pasan por el origen y con la pendiente i=(σ₁)/fc. Los diferentes valores de i proporcionan información sobre la fluidez, dependiendo de la posición de la función de flujo en el gráfico, se puede determinar su fluidez.

Figura 5: Función de flujo del polvo y fluidez del polvo

Dependiendo de la forma del gráfico, se puede determinar si el polvo es cohesivo o no.

Figura 6: Funciones de flujo de material típicas (MFF)

Al final de la prueba con las células de cizallamiento Jenike (o equipo de prueba equivalente), se habrán determinado las siguientes propiedades de reología en polvo:

• Ángulo de fricción interna
• Función de flujo de polvo (Material) (MFF)
• Ángulo de fricción con la pared

Nota: entonces es posible determinar cómo fluirá el polvo a partir de un tolva dado (o diseñar un tolva) determinando la función de flujo ff asociada a un diseño de tolva y trazando una línea de pendiente 1/ff en la MFF. El polvo fluirá si la línea de pendiente 1/ff está por encima de la MFF, si está por debajo, se espera que se formen arcos y que el flujo sea difícil. Se puede encontrar más información aquí sobre el diseño de tolvas.

Figura 7: Función de flujo y funciones de flujo de materiales para calcular la tensión aplicada crítica

2. Métodos intermedios - Índice de cohesión en polvo

Se han desarrollado una serie de pruebas para aproximar los resultados obtenidos con el método Jenike, que es bastante laborioso si no se dispone de equipos específicos.

Johanson ha desarrollado una serie de pruebas que permiten determinar diferentes índices que se pueden vincular a los parámetros de diseño clave definidos anteriormente.

Tabla 3: Lista de métodos simplificados para la evaluación de la fluidez

Método	Valor obtenido
Indicizador de atasco	Índice de arquing AI (=diámetro de salida crítico) Índice de rathole RI (=diámetro de rathole)
Indicizador de tolva	Índice de tolva HI (=ángulo de cono) Índice de tolva (=deslizamiento al impacto)
Indicizador de tasa de flujo	Índice de tasa de flujo FRI (=caudal máximo de descarga por gravedad - sin ayuda de descarga pero con un polvo totalmente NO aerado) Densidad sin empaquetar FDI y densidad empaquetada BDI (=densidad suelta y tapada)

Para obtener estos datos particulares, es necesario comprar o tener acceso a máquinas construidas por empresas activas en el campo del análisis de polvo.

3. Métodos abreviados - Método del ángulo de reposo, índice de Carr y Hausner

Es posible que un probador de cizallamiento no esté disponible en la vida cotidiana de la fábrica, cuando se necesita calcular un nuevo tolva o solucionar problemas en el proceso. Se han desarrollado otros métodos más rápidos para tener una idea del comportamiento del polvo. El uso de estos métodos abreviados debe hacerse con cuidado, siempre teniendo en cuenta que darán una indicación del comportamiento del polvo, pero no se pueden utilizar para cálculos directos

Tabla 4: Índice calculado para la evaluación de la fluidez

Método	Cálculo	Interpretación
Índice de Carr	I=(densidad tapada - densidad suelta)/(densidad tapada)*100	I menos de 15%: buen flujo I más de 25%: mal flujo
Índice de Hausner	Hr=(densidad tapada)/(densidad suelta)	Hr más de 1,4: polvo cohesivo Hr menos de 1,2: flujo libre Entre medias: comportamiento intermedio
Método del ángulo de reposo - ángulo de flujo del polvo	Ángulo de reposo vertido	ángulo menos de 30: buen flujo ángulo de 30 a 50: flujo difícil ángulo superior a 50: flujo casi imposible

Un posible uso de estos métodos abreviados es realizar comparación entre polvos. Si un tolva está diseñado para un polvo A y tiene un diseño bastante satisfactorio, entonces verificar el Índice de Carr y el ángulo de reposo del polvo B puede dar una idea si tal diseño también podría adaptarse al polvo B. Si los valores del Índice de Carr y el ángulo de reposo son muy diferentes, entonces puede ser una indicación de que se debe realizar un trabajo más profundo para evaluar las características del polvo B y utilizar métodos rigurosos para el diseño.

4. Electrostatica

Un fenómeno a menudo pasado por alto en el análisis del flujo de polvo es la influencia de la electricidad estática. Esto es particularmente cierto para partículas muy finas, para las cuales las fuerzas eléctricas se vuelven significativas en comparación con otras fuerzas (la gravedad, por ejemplo).

Los parámetros que influirán en la electricidad estática son los siguientes:

• Humedad
• Intensidad de la fricción
• Tamaño y naturaleza de las partículas
• Características de la superficie