Dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares.
Estado de la técnica
El transporte de sólidos granulares es una operación muy común en diversos sectores industriales en los que es preciso vaciar o llenar recipientes, bien para controlar el nivel en ellos, controlar el paso de sólido de un recipiente a otro o dosificar una cierta cantidad de sólido en recipientes para su envase y distribución. En cualquier caso, es necesario controlar el flujo de paso del sólido a través de un conducto para mantener las variables de nivel o de dosificación en valores requeridos. Son muchos los dispositivos utilizados para este fin. Algunos son de tipo mecánico, tales como válvulas de tajadera o de mariposa, tornillos sin fin, pistones, cintas transportadoras y cilindros rotatorios; otros son de tipo neumático, sin partes móviles o no mecánicos, tales como válvulas L en conducciones verticales y lechos fluidizados unidos a conducciones inclinadas.
Diversas configuraciones, formas geométricas y aplicaciones de estos dispositivos han sido descritas en publicaciones científico-técnicas y patentes. Se destacan específicamente los trabajos de Trees y de Sarkar et al. sobre sistemas de transporte basados en tubos inclinados acabados en lechos fluidizados (J. Trees, "A Practical Investigation of the Flow of Particulate Solids Through Sloping Pipes", Trans. Instn. Chem. Engrs. 40, 1962, pp. 286-296; M. Sarkar, S. K. Gupta and M. K. Sarkar, "An Experimental Investigation of the Flow of Solids from a Fluidized Bed Through an Inclined Pipe", Powder Technology 64, 1991, pp. 221-231) y el trabajo de Knowlton y Hirsan sobre válvulas L (T. M. Knowlton and I. Hirsan, "L-Valves Characterized for Solids Flow", Hydrocarbon Processing, March 1978, pp. 149-156). También se destacan cinco patentes sobre diferentes tipos de válvulas L utilizadas como elemento regulador del flujo de sólidos granulares en cargas, descargas y control de nivel de sistemas fluidizados (US 4500231, US 4538549, US 4687382, JP6074418A, JP8134520A).
Las principales ventajas de las válvulas y dispositivos de tipo neumático se derivan del hecho de que son dispositivos no mecánicos, es decir, no tienen partes móviles como las válvulas convencionales utilizadas con fluidos, y son de construcción relativamente simple y de coste reducido.
Por otra parte, los problemas más importantes que surgen a la hora del diseño y uso de válvulas L, dispositivos basados en elementos tubulares inclinados o verticales terminados en un lecho fluidizado y dispositivos neumáticos similares son los siguientes:
El balance de presiones en el interior de dispositivos neumáticos con circulación de sólido es muy complicado y es difícil diseñar y manejar dispositivos que puedan controlar el flujo de sólidos granulares en un amplio intervalo de caudales y para distintos tipos de sólido. Esto significa que es necesario hacer un gran número de estudios, pruebas y ajustes para cada tipo de aplicación. Prácticamente, hay que diseñar cada dispositivo para cada caso particular, tipo de sólido (densidad, tamaño de partícula, forma e irregularidades de los gránulos), condiciones de operación (diferencias de presión entre distintas partes del dispositivo, intervalo de caudales de sólido a controlar). Frecuentemente, una válvula así diseñada difícilmente funcionará bien al variar, a veces sólo ligeramente, algunas de las condiciones o propiedades supuestas en el diseño. Es frecuente la aparición de aglomeraciones que producen bloqueos de sólido en distintas partes del sistema. En dispositivos basados en un conducto inclinado o vertical terminado en un pequeño lecho fluidizado que controla el flujo del sólido ocurren fenómenos de defluidización (el lecho deja de fluidizar, queda fijo y bloquea el paso del sólido). En los conductos verticales o inclinados puede ocurrir un régimen de circulación del sólido descendente llamado de libre circulación, en el cual se produce un transporte libre de sólido, de caudal elevado e incontrolado. Las operaciones de transporte y control de flujo de sólidos que tienen determinadas propiedades reológicas y fluidodinámicas son especialmente complicadas, a veces imposible, en multitud de ocasiones. Por ejemplo, cuando se manejan sólidos de gránulos de forma irregular (parecidos a agujas, placas, discos), materiales pegajosos (serrín de maderas resinosas, ciertos plásticos y cauchos sintéticos), materiales de tamaño de partícula muy pequeño que pueden electrificarse por fricción (partículas finas de plástico, vidrio, tela, papel), materiales finos e higroscópicos (harinas, ciertos fármacos, pinturas, colorantes y pigmentos), mezclas de diferente naturaleza (metales y plásticos, dos o más sólidos de diferente densidad o tamaño de partícula). Explicación de la invención
El dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares objeto de la presente invención resuelve tres problemas fundamentales de los indicados anteriormente: permite controlar el flujo de sólido en un amplio intervalo de valores, mediante un adecuado ritmo de impulsos de aire u otro gas comprimido, permite controlar el flujo de sólidos muy diversos, al utilizar dichos impulsos y evita o elimina aglomeraciones y taponamientos mediante un ciclo especial de autolimpieza.
El dispositivo neumático es una combinación de zonas de circulación y de transporte neumático por impulsos de aire u otro gas comprimido. La geometría y modo de construcción están basados en combinaciones de secciones tubulares, cuadrangulares o rectangulares de disposición vertical e inclinada. El dispositivo funciona con un gas de aireación, normalmente aire comprimido, pero puede usarse cualquier otro gas como por ejemplo nitrógeno en caso de requerirse condiciones antideflagrantes o de atmósfera inerte. Aplicando secuencialmente impulsos del gas de inyección se puede ejercer control sobre el flujo de sólido que pasa a su través, modificándolo dentro de un intervalo dado, e incluso cerrando totalmente el paso de sólido si interesa.
El dispositivo neumático, objeto de la invención, tiene la ventaja de poder disponer de un ciclo de autolimpieza, que puede imponerse periódicamente o mediante un adecuado criterio de control (por ejemplo, en función de variaciones de presión que indiquen el inicio de formación de aglomeraciones o taponamientos, o en función a determinados ciclos de tomas de muestras o de cambios en el tipo de sólido a controlar).
En el dispositivo neumático no existen partes móviles que puedan ser objeto de averías por desgaste, agarrotamiento, deformaciones, obstrucciones, etc., lo que implica un reducido coste de mantenimiento y reparación. Por otra parte, se reduce el número de pasadas de emergencia y retrasos en la puesta en marcha provocadas por la escasa eficacia de otros sistemas.
Asimismo este dispositivo neumático es muy versátil; es amplia la diversidad de sólidos que se pueden manejar y el intervalo de caudales de sólido a controlar, temperaturas y presiones. Se construye con materiales estándar (por ejemplo, acero inoxidables AISI 304 y AISI 316, hierro, plástico, metales recubiertos de capas vítreas o cerámicas, etc.) y es de sencilla mecanización, de estructura compacta y de fácil transporte e instalación. Además, es sencillo de limpiar ya que se puede lavar con agua dado que no existe ninguna parte eléctrica.
El dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares es un sistema neumático, es decir, todo su funcionamiento está basado en aire u otro gas comprimido. Por ello es antinflamable y, respecto a dispositivos neumáticos similares, se consiguen reducciones drásticas del consumo de gas de aireación necesario para alcanzar grandes caudales másicos de sólido a la vez de dominar con gran efectividad dicho caudal.
Las aplicaciones del dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares son variadas, presentando especial eficacia cuando se usan como sistema de alimentación o descarga a sistemas de lechos fluidizados, fijos, móviles y combinados. El dispositivo puede fabricarse y disponerse de manera prácticamente hermética o de salida conducida, lo cual significa que se evita la dispersión de finos y sólidos en suspensión en el medio ambiente de trabajo (toxicidad, alergias, etc.) y se pueden hacer fácilmente aplicaciones a sólidos que precisen atmósferas inertes.
Finalmente, el dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares va dotado de un sistema de control avanzado que permite aumentar la efectividad de la operación, la seguridad en el trabajo, reducir costes de operación, ahorrar energía y minimizar el impacto ambiental.
Descripción de los dibujos
Para facilitar la comprensión de las características de la invención y formando parte de esta memoria descriptiva, se acompaña una figura que con carácter ilustrativo representa lo siguiente:
Figura 1. La figura 1 representa una vista en alzado del conjunto del dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares, constituido por las siguientes partes: una tolva de almacenamiento, lecho fluidizado, lecho móvil o cualquier otro tipo de recipiente (1) que contiene un sólido granular; un conducto tubular, de sección cilíndrica o cuadrangular (2) dotado de entradas de aire u otro gas comprimido (12, 13, 14); un conducto tubular, de sección cilíndrica o cuadrangular (3) dotado de entradas de aire u otro gas comprimido (7, 8, 9, 10, 11); una zona de reconducción del sólido de sección cilíndrica o cuadrangular (4) dotada de una cúpula redondeada (5) para evitar el choque violento del sólido con la parte superior de la zona de reconducción citada; una boca de salida del sólido (6) que comunica con un segundo recipiente a donde quiere enviarse o dosificarse el sólido procedente de (1); una válvula (15) para salida de gases en los casos en que la salida (6) sea hermética y para evitar sobrepresiones dentro del sistema. Modo de realización de la invención
Haciendo referencia a la numeración que se indica en la figura, puede verse que el dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares, realizado a escala precisa para el intervalo de caudales requerido, consiste en un conducto inclinado (2) unido con un recipiente que contiene el sólido y desde el cual se quiere transportar el mismo (1). Este conducto puede tener un ángulo de inclinación entre 40º y 90º para evitar acumulaciones de sólido y facilitar la circulación del mismo; por otra parte, este conducto inclinado va dotado de un cierto número de puntos de inyección de aire u otro gas comprimido (por ejemplo, los conductos 12, 13 y 14 indicados en la figura). Estos puntos de inyección son tubos de sección circular con forma sigmoidal para evitar la salida o retorno de sólido a su través cuando no circula por ellos el aire o gas comprimido. El conducto inclinado termina en un conducto vertical (3) dotado también de un cierto número de puntos de inyección de aire u otro gas comprimido (por ejemplo, los conductos 7, 8, 9, 10 y 11 indicados en la figura). Estos puntos de inyección son tubos de sección circular también con forma sigmoidal para evitar la salida o retorno de sólido a su través cuando no circula por ellos el aire o gas comprimido. El conducto vertical está rodeado de otro conducto vertical (4) cuyo fin es impedir que el sólido se disperse por el ambiente y hacer que todo el sólido se reconduzca hacia el fondo y boca o brida de salida (6). Mediante los puntos de inyección de aire u otro gas comprimido, se consigue el funcionamiento correcto del sistema. Se puede operar en tres tipos o modos de funcionamiento: control de caudal de paso de sólido, cerramiento completo de paso de sólido y autolimpieza. Cada uno de estos modos de funcionamiento exige que la secuencia de inyecciones de aire u otro gas comprimido a través de los distintos puntos de inyección (7-14) sea distinta. Dicha secuencia viene regulada por el adecuado sistema de control dotado de temporizadores y secuenciadores que permitan realizar inyecciones de aire u otro gas comprimido de una cierta duración por cada conducto de inyección.
Durante el modo de operación normal el dispositivo funciona como dispositivo de control de un caudal dado de sólido a través del dispositivo o bien como dispositivo dosificador que está alimentando una dosis de sólido cada cierto tiempo para llenar viales u otro tipo de recipientes. En este modo de operación, la secuencia de inyecciones a través de los inyectores es en sentido descendente del conducto 3, es decir, primero se realiza una inyección a través del punto 11, seguidamente a través del punto 10, luego a través del punto 9, y así sucesivamente. Esto permite conseguir una muy exacta dosificación de paquetes de sólido y un intervalo amplio de caudales. Por ejemplo, para bajos caudales o dosis pequeñas, sólo se utiliza el punto de inyección 11, de forma que con cada inyección de aire u otro gas comprimido a través de 11 sólo se desplaza hacia arriba una pequeña cantidad de sólido. La gama pequeña de caudales puede a su vez graduarse fijando el tiempo durante el cual dura la inyección de aire u otro gas comprimido a través de punto 11 y el tiempo de inactividad que se deja entre inyección e inyección. De forma similar, para una gama mayor de caudales o dosis, se utilizan inyecciones sucesivas en los puntos 11 y 10. Similarmente, para poder controlar grandes caudales se utilizan inyecciones sucesivas en todos los puntos de inyección de los que va dotado el conducto vertical (4).
Durante el modo de operación de cierre, simplemente se deja de inyectar aire u otro gas comprimido a través de los conductos de inyección (7-14). De esta manera, las propiedades reológicas del sólido granular hacen que se interrumpa completamente la circulación del sólido a través de los conductos 2 y 3, funcionando en este caso el dispositivo como una válvula no mecánica de cierre de paso de sólido.
Durante el modo de operación de autolimpieza el dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares puede vaciarse completamente de sólido. Esta autolimpieza se hace cada cierto tiempo para asegurar que no existen aglomeraciones, depósitos o porciones de sólido adheridos a las paredes de las tubuladuras 2 y 3, o bien para renovar completamente el contenido de dichas zonas por motivos de análisis, limpieza de equipos, vaciado total antes de cambiar de tipo de sólido a transportar, etc. La forma de realizar esta autolimpieza es la siguiente: con los puntos de inyección 7-13 cerrados, es decir, sin inyección de aire u otro gas comprimido a través de ellos, se procede a inyectar impulsos de aire u otro gas comprimido por el punto 14. Esto vaciará la parte superior del conducto inclinado (2), sucesivas inyecciones a través de los puntos 13 y 12 irán vaciando el resto del conducto inclinado. Finalmente, sucesivas inyecciones a través de los puntos 11, 10, 9, 8 y 7 vaciarán el conducto vertical (3).
Hay un conducto de salida (15) que sirve para venteo de gases en caso de sobrepresión excesiva dentro del sistema, caso de utilizarse como dosificador o controlador de flujo en un sistema hermético, es decir, con la salida de sólidos (6) unida mediante bridas o sistemas similares a otro conducto o recipiente cerrado. La disposición de la salida (15) justo debajo de conducto (3) hace disminuir la probabilidad de salida de sólidos por dicha salida de gases (15) que, independientemente puede ir dotada de filtros, ciclones u otros dispositivos similares para recoger las posibles partículas finas que salgan indebidamente por dicha salida.
El sólido tiene su salida finalmente por la parte inferior del conducto (4) a través de una boca simple o un elemento de conexión adecuado (6) de donde se dirige a cualquier otro dispositivo de almacenamiento, transporte o el destino que sea procedente.
Todos los conductos principales del dispositivo neumático para controlar el flujo de sólidos granulares (2, 3, 4, 5) se fabrican en materiales adecuados a las condiciones de presión, temperatura y agresividad fisicoquímica del sólido a tratar (para minimizar el desgaste del equipo y del propio sólido, problemas de corrosión, etc.) y pueden realizarse de sección tubular o cuadrangular, según el tamaño y escala requeridos.
