Transporte y alimentación de carbonato de calcio en la fabricación de plásticos

El carbonato de calcio (CaCO3) es una carga mineral, comúnmente utilizada en la industria de fabricación de plásticos. Es una materia prima bastante abundante, siendo un material muy fácil de moler o de reducir al tamaño de partícula requerido. Es compatible con una amplia gama de resinas poliméricas, además de ser muy económico.

Planta de fabricación de bolsas plásticas que utiliza carbonato de calcio
Fábrica de bolsas plásticas. Imagen de reproplas

El principal uso del carbonato de calcio en la industria del plástico, es como aditivo, el cual, permite reducir la energía de la superficie del plástico, además de aportar opacidad y brillo superficial, lo que mejora sensiblemente el acabado de su superficie. El carbonato de calcio también ayuda a aumentar la rigidez y la resistencia al impacto, para ello, hay que controlar cuidadosamente el tamaño de las partículas de CaCO3.

En este artículo describiremos el proceso de transporte y alimentación de carbonato de calcio en la fabricación de plásticos.

Tabla de contenidos
  1. Introducción al transporte y alimentación de carbonato de calcio en la fabricación de plásticos
  2. Transporte del carbonato de calcio en la fabricación de plásticos
    1. El motor
    2. El dispositivo dispensador o máquina dispensadora
    3. Líneas de transporte
    4. Separador de materiales y gases
    5. Sistema de control
    6. Ejemplo de un sistema de transporte neumático de carbonato de calcio en la elaboración de plástico
  3. Alimentación de carbonato de calcio en la fabricación de plásticos
    1. Alimentadores volumétricos vs. Alimentadores gravimétricos
    2. Elección de la tolva
    3. Máquina de alimentación
  4. Conclusión

Introducción al transporte y alimentación de carbonato de calcio en la fabricación de plásticos

gránulos de carbonato de calcio
Carbonato de calcio. Imagen de comandogroup

Como comentábamos anteriormente, el CaCO3 es un compuesto químico muy utilizado en la fabricación de diferentes tipos de plástico y productos derivados. Es bastante económico y permite adicionar ciertas propiedades al producto, como rigidez y mejorar la apariencia de su superficie.

El carbonato de calcio puede combinarse con una amplia gama de resinas termoplásticas. Los compuestos de polipropileno se rellenan comúnmente con carbonato de calcio, de este modo, se eleva su rigidez, que es de vital importancia para las operaciones que se realizan a altas temperaturas.

El carbonato de calcio también es utilizado ampliamente en compuestos de PVC flexibles y rígidos, como tubos, aislamientos de cables, alambres, guantes de látex, bolsas para basura, conductos, perfiles de ventanas y tubos extruidos.

Transporte del carbonato de calcio en la fabricación de plásticos

Lo primero a tener en cuenta cuando se requiere implementar un sistema de transporte neumático para cualquier sustancia sólida, es la forma y tamaño de la partícula, así como también, la distribución de estas partículas a lo largo del sistema de transporte. También, hay que considerar la rugosidad, la dureza (abrasividad) y la densidad de las partículas, ya que todas estas propiedades tendrán un impacto significativo en el diseño del sistema de alimentación o de transporte neumático.

Para el caso del carbonato de calcio, estas propiedades varían en función de la fuente y el proceso de fabricación de cada muestra, como podemos apreciar en la siguiente tabla, en donde veremos el resultado de un análisis granulométrico realizado a dos muestras de carbonato de calcio diferentes: 

CaCO3 Muestra 1

CaCO3 Muestra 2

Carbonato de calcio precipitado con una pureza del 99%.
Su densidad varía entre 0,301 hasta 0,398 Kg/dm3. Viene embalado.

Carbonato de calcio granular con una pureza del 95%. Su densidad varía entre 1,378 hasta 1,474 Kg/dm3. Viene empaquetado.


Debido al gran número de interacciones entre las partículas, es posible establecer una correlación clara entre las propiedades de las partículas de un relleno y su comportamiento de flujo como sólido a granel. Es por esta razón, que los sistemas de transporte neumático deben ser diseñados a medida para cada situación específica.

Las diferencias en las propiedades de un sólido a granel repercuten tanto en la ingeniería de sistemas, como en la selección de equipos. Es por ello, que se requieren pruebas de laboratorio para ayudar a determinar las propiedades y el comportamiento de un material.

Un sistema de transporte neumático convencional, se compone principalmente de cinco partes:

  1. Un motor
  2. Un dispositivo dispensador
  3. Una línea de transporte
  4. Un separador de materiales-gases
  5. Un sistema de control

A continuación, describiremos cada una de estas partes:

El motor

Es un equipo que permite que el sistema de transporte neumático trabaje. Mantiene a todo el sistema funcionando.

El dispositivo dispensador o máquina dispensadora

Como su nombre lo indica, es una máquina que permite ir adicionando a nuestro sólido, en este caso, carbonato de calcio. Al elegir un dispositivo dispensador, debemos tener en cuenta que algunos grados de carbonato de calcio son ligeros y fluidificables, y pueden inundar las líneas de transporte. En estos casos, debe considerarse la posibilidad de utilizar una válvula rotativa para dosificar el material en la línea.

Las válvulas rotativas pueden utilizarse en sistemas de transporte neumático a presión o a vacío, para la recogida. El producto tenderá a acumularse y no se liberará de las cuchillas de una válvula rotativa de goteo cuando se utilicen grados adhesivos de carbonato de calcio. En este caso, se requiere una válvula rotativa de soplado. A medida que la válvula gira, el aire es soplado a través de cada bolsa, desalojando el material de las cuchillas. La instalación de un cono de fluidificación en el depósito de alimentación, también ayuda a controlar el flujo de material.




Líneas de transporte

Las líneas de transporte, por lo general, son una combinación de dispositivos y elementos que permiten movilizar el sólido a través de la planta o fábrica. En nuestro caso específico, los polvos de carbonato de calcio pueden causar una variedad de problemas en los sistemas de transporte, tales como atascamiento de la tolva, alimentación por inundación en las líneas de transporte, acumulación dentro de las líneas de transporte y cegamiento sobre las bolsas de filtro y los cartuchos en los receptores.

Las tuberías rígidas pueden utilizarse como línea de transporte para el carbonato de calcio, que va desde altamente fluidificable hasta ligeramente adhesivo. Sin embargo, si el CaCO3 recubre el interior de la línea de transporte, podría considerarse una manguera flexible, porque la flexión de la línea ayuda a evitar la acumulación en las paredes de la manguera.

Es una buena idea utilizar una válvula de purga en los sistemas de secuencias de vacío, para permitir que la línea se despeje entre las secuencias de transporte. La válvula de cierre de recogida de un sistema de vacío se cierra para permitir que se acumule el vacío en la línea, y a continuación, la válvula se abre, generando una onda de presión que ayuda a eliminar cualquier revestimiento de material que se haya adherido a las superficies interiores de la línea de transporte.

Separador de materiales y gases

Es el equipo que permite separar el sólido de los gases. Es un equipo indispensable, ya que el carbonato de calcio tiende a adherirse al filtro, provocando que este se tape y pierda su eficiencia. El uso de bolsas filtrantes, en lugar de cartuchos filtrantes plisados para grados pegajosos de CaCO3, puede ayudar a reducir la tendencia del CaCO3 a adherirse a los filtros. En casos extremos, debería utilizarse un medio filtrante de PTFE.

Algunas calidades de carbonato cálcico pueden requerir un cono de descarga más pronunciado para permitir el vaciado completo de la tolva. Las ayudas al flujo dentro de la tolva receptora, como los vibradores o las almohadillas fluidificantes, suelen ayudar a garantizar una descarga más rápida y completa del receptor.

Sistema de control

Es la combinación de equipos utilizados para controlar todo el sistema de transporte neumático.

Ejemplo de un sistema de transporte neumático de carbonato de calcio en la elaboración de plástico

En el siguiente diagrama, veremos una representación esquemática del sistema de transporte neumático necesario en una operación de composición para transferir carbonato de calcio desde un depósito de almacenamiento a un sistema de alimentación.

DIagrama ilustrativo de un sistema de transporte de carbonato de calcio
Ejemplo de sistema de transporte de carbonato de calcio en fábrica de plástico

En este ejemplo, se requiere transferir 4,5 t/h (10.000 lb/h) de carbonato de calcio desde un depósito de almacenamiento (1) a un receptor de filtro (2) situado encima de una válvula rotativa (3), en una instalación de compuestos de plásticos para la extrusión de PP y CaCO
3. Las instalaciones están situadas a una altitud de 305 metros, con una temperatura media diaria de 29,5 grados Celsius (85 grados Fahrenheit) durante todo el año. Con cuatro codos de ángulo de 90 grados (4) presentes en el sistema, la muestra de carbonato de calcio seleccionada tendría que ser transportada neumáticamente a lo largo de 30 metros (100 pies) de distancia horizontal y 15 metros (50 pies) de distancia vertical.

El soplador (5) se colocaría de tal manera, que la línea de aire tuviera una longitud de 15 metros (cuando se combinan las distancias horizontales y verticales) con no más de dos codos. Debido a las diferencias significativas en las características de las partículas, entre las dos muestras de carbonato de calcio mostradas en la tabla anterior, se eligieron diferentes componentes del equipo y dimensionamiento del sistema. El carbonato de calcio B requiere una mayor potencia del soplador (5) para proporcionar el mayor flujo de aire del sistema, y el vacío necesario para mantener el transporte en fase diluida a la velocidad requerida.

El caudal ajustado de la válvula rotativa (3) para mantener la tasa deseada viene determinado por las diferencias en la densidad aparente y las características de las partículas. Como resultado, el rendimiento volumétrico de la muestra 2, mucho más denso, es mucho menor que el de la muestra de carbonato de calcio 1. El diámetro de la carcasa del filtro está determinado por la restricción de la velocidad para cada muestra. La velocidad máxima, es la mayor velocidad vertical a través de la carcasa del filtro que permite que la mayoría del material caiga fuera de la corriente de aire. El área de la tela filtrante para cada material está determinada por las propiedades de filtración de cada muestra.

El tamaño de las partículas tiene un impacto significativo en la cantidad de tela filtrante necesaria para los materiales. Cuanto mayor sea el tamaño de las partículas, más fácil será su separación de la corriente de aire, por lo que se necesitará menos tela filtrante. La tabla 1 resume algunas de las diferencias de equipamiento entre estas dos muestras.

Alimentación de carbonato de calcio en la fabricación de plásticos

Diagrama ilustrativo de un sistema de alimentación de carbonato de calcio
Sistema de alimentación de carbonato de calcio en la fabricación de plástico

El sistema de alimentación adecuado para cada una de las muestras de carbonato de calcio viene determinado por dos variables principales: las características del relleno mineral (por ejemplo, tamaño y forma de las partículas, permeabilidad al gas, densidad aparente y ángulo de reposo) y la velocidad de alimentación requerida.

Los alimentadores de pérdida de peso (LIW) garantizan la contención total de la materia prima y el polvo, así como, un rendimiento óptimo de la tasa de alimentación para garantizar la calidad general del producto final. Los alimentadores LIW están disponibles en una gran variedad de configuraciones, con el tamaño de la tolva, el dispositivo de alimentación y la báscula puente, adaptados a las características específicas del material que se va a alimentar, y las propiedades del flujo y los caudales.




Alimentadores volumétricos vs Alimentadores gravimétricos

La mayoría de los alimentadores pueden clasificarse como volumétricos o gravimétricos. Los alimentadores volumétricos son la solución de alimentación más rentable porque suministran un volumen específico de material por unidad de tiempo. Cabe destacar, que los alimentadores volumétricos de tornillo, no pueden detectar o ajustar las variaciones en el volumen del material. Como resultado, estos alimentadores funcionan mejor con materiales de flujo relativamente libre que tienen una densidad a granel consistente, como los gránulos, y en aplicaciones donde la precisión de la alimentación garantizada no es crítica.

La alimentación gravimétrica consiste en alimentar material seco a granel en un proceso, con un peso constante por unidad de tiempo. La alimentación gravimétrica mejora la supervisión del proceso de alimentación mediante el uso de un bucle de retroalimentación que mide el peso y la velocidad, determinando el peso real del material que se alimenta en una base de segundo a segundo.

Elección de la tolva

Una vez que se ha determinado el tamaño y el tipo de alimentador, hay que elegir una tolva de la forma y el tamaño adecuados para contener la cantidad correcta de relleno para una operación continua de composición de plásticos. Las tolvas tienen formas cilíndricas, asimétricas y simétricas, y tamaños que van desde un litro hasta varios cientos de litros. El tamaño de una tolva de alimentación se determina en función de las necesidades de llenado del alimentador y del espacio disponible. Una "regla general" es utilizar 12 rellenos de tolva por hora, con un nivel máximo de llenado en la tolva del 80% del volumen de la misma.

Debido al coste adicional, los requisitos de espacio y la posibilidad de compactación del material por las interacciones de las partículas, puede que no se requiera una tolva grande. En consecuencia, la selección del tamaño de la tolva se estima inicialmente mediante el cálculo teórico:


Caudal / (Densidad a granel x 0,8 x 12) = Capacidad de la tolva


En las tolvas, el carbonato de calcio precipitado tiende a compactarse y puede provocar agujeros y puentes. El activador de sólidos a granel es un dispositivo de ayuda al flujo, sencillo y eficaz, que funciona induciendo vibraciones de las partículas, lo que impide la formación de puntos de material denso dentro de la tolva. Además, reduce los requisitos de espacio libre y elimina los problemas de limpieza al eliminar la necesidad de agitadores mecánicos dentro de la tolva. Existen agitadores mecánicos alternativos para materiales extremadamente cohesivos.

Máquina de alimentación

Los dispositivos de alimentación difieren según el material a granel que se vaya a alimentar: alimentadores de un solo tornillo para polvos y granulados de flujo libre, alimentadores de doble tornillo para polvos difíciles, y bandejas vibratorias para fibras y materiales friables. Aunque un alimentador de un solo tornillo puede funcionar con grados de carbonato de calcio de flujo libre, generalmente, se recomienda un alimentador de doble tornillo para obtener un resultado consistente.

Dependiendo del caudal y de las características del relleno mineral, existen varios diseños de tornillos: cóncavo, sinfín, espiral y doble espiral son los perfiles de tornillo más comunes. El propósito de los tornillos es descargar los sólidos a granel de manera uniforme en el proceso de composición de plásticos. Los tornillos también sirven para detener el flujo de material cuando se apaga el alimentador de tornillo y para evitar la inundación cuando se fluidifican los sólidos a granel.

El carbonato de calcio tiene tendencia a compactarse en las superficies metálicas, como los tornillos del alimentador. Para mantener las superficies de los tornillos limpias y libres de acumulaciones de material, se necesitan dos tornillos autolimpiantes co-rotantes entrelazados.

Conclusión

Debido al número de variables que afectan al flujo de polvo, el diseño correcto de un sistema de transporte y/o alimentación neumática para el carbonato de calcio en las operaciones de composición de plásticos puede ser complejo. El rendimiento de la inversión de una planta de compuestos de plástico, depende de la selección del sistema de transporte y alimentación neumática más rentable.

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