1. Principios de molienda de sólidos a granel

La molienda es la acción de reducir el tamaño de las partículas mediante una acción mecánica. La acción mecánica somete a las partículas a un esfuerzo; bajo dicho esfuerzo, aparecen grietas y, posteriormente, la partícula se fractura en diferentes fragmentos.

La acción mecánica utilizada para romper las partículas y reducir su tamaño puede ser diversa, y existen diferentes tipos de molinos que aplican estos principios de molienda.

Los principios típicos de molienda son los siguientes:

• Uso de 2 superficies sólidas: el sólido es comprimido o frotado contra 2 superficies sólidas
• Uso de una única superficie sólida: el sólido es impactado contra una superficie sólida
• El sólido es cortado: se utilizan fuerzas de cizallamiento u ondas de presión para romper las partículas

Una consideración importante es que la molienda puede realizarse en fase seca o en fase húmeda, y los equipos utilizados son distintos en cada caso.

El dimensionamiento de las operaciones de molienda se basa principalmente en la experiencia, utilizando referencias de instalaciones existentes. Se recomienda encarecidamente aprovechar la experiencia de los proveedores y realizar pruebas. Existen algunos modelos para intentar determinar el consumo energético de la Distribución Granulométrica (DGP) obtenida mediante el molino, pero no parecen ser muy aplicables en un entorno industrial. Un aspecto clave a recordar es que las operaciones de molienda requieren una gran cantidad de energía, pero solo el 1-2% de esta se utiliza para la reducción de tamaño, ya que la mayor parte se pierde en fricción y calentamiento dentro de la máquina de molienda. Por lo tanto, las operaciones de molienda deben ser un foco particular de eficiencia energética con el fin de optimizar el coste de producción.

2. Equipos comunes de molienda de polvos

¿Cuántos tipos de molinos existen?

La tabla siguiente enumera los equipos clave de procesamiento de molienda que se pueden encontrar en las industrias de proceso.

Tabla 1: Tecnologías de molienda

Grupo de molinos	Tipos de molino	Principios
Molinos de Rodillos	Molinos de rodillos Etapa única o multi-etapa Molino de rodillos de alta compresión	Los molinos están equipados con 2 rodillos que giran en direcciones opuestas. El producto se alimenta entre los 2 rodillos. Al pasar entre ellos, el producto está sometido a fuerzas de compresión y cizallamiento, reduciendo así su tamaño. Para mejorar la eficiencia del proceso, se pueden instalar varios pares de rodillos en serie con una separación decreciente. Además, los rodillos pueden presentar ranuras que mejoran la molienda "mordiendo" el producto. Para aumentar la eficiencia del molino, algunos molinos de rodillos están equipados con un sistema que garantiza una alta presión (10-50 bar) entre los rodillos. También es obligatorio que estos molinos cuenten con un sistema de resortes que libere la presión si la carga es excesiva (cuerpo extraño , por ejemplo) y evite daños mecánicos.
Molinos de Impacto	Molinos de martillos Molinos de pasadores Molinos universales	La reducción de tamaño se logra aquí impactando el producto contra una superficie sólida. Esta superficie está formada por diferentes tipos de batidores que giran a muy alta velocidad. Un molino de pasadores está equipado con un disco estático montado con varios pasadores y otro móvil también con pasadores. Cuando el producto es forzado a pasar a través del sistema, es impactado por los pasadores, fracturándose y reduciendo su tamaño. Un molino de martillos está equipado con un disco rotativo simple provisto de múltiples paletas que golpean el producto y lo proyectan contra la carcasa del molino. También puede instalarse una criba de molienda para mejorar el proceso y reducir la Distribución Granulométrica (DGP) obtenida. Los molinos de martillos de alta velocidad (velocidad periférica de 40 a 70 m/s) pueden alcanzar tamaños de partícula pequeños, inferiores a 0.1 mm. Un molino universal es una derivación del molino de martillos, con batidores más sofisticados, así como pistas y cribas de molienda. La velocidad periférica varía entre 40 y 100 m/s.
Molinos de Impacto	Molinos de chorro	Los molinos de chorro logran la reducción de tamaño acelerando el producto a moler y proyectándolo contra un blanco estático o contra otro flujo de partículas aceleradas. Para este propósito, se deben alcanzar velocidades de hasta 250 m/s para proporcionar suficiente energía a las partículas y romperlas al impacto. Una sola pasada por el molino generaría una Distribución Granulométrica (DGP) muy amplia. Para estrechar la DGP, los molinos de chorro están equipados con un clasificador. Solo las partículas por debajo de un tamaño objetivo podrán salir del molino; las demás serán recirculadas.
Molinos con medios de reducción de tamaño	Molinos de bolas (seco)	Los molinos de bolas están compuestos básicamente por un tambor parcialmente lleno con un medio de molienda, típicamente cuentas de cerámica o acero. El molino se carga con las cuentas de molienda y el producto; luego, el molino gira hasta alcanzar una velocidad lo suficientemente alta para que las cuentas caigan en cascada libremente. Cabe señalar que, en algunas aplicaciones, un agitador está presente para agitar las cuentas, y el tambor no gira. Cuando las cuentas caen y ruedan, impactan y/o aplican un esfuerzo de cizallamiento al producto. El producto, al ser impactado entre 2 cuentas, entre una cuenta y la pared, o al golpear la pared, reduce su tamaño.
Molinos con medios de reducción de tamaño	Molinos de bolas (húmedo)	Los molinos de bolas, como se describió anteriormente, también son una máquina de elección para la molienda de sólidos en fase húmeda. El diseño aplicado aquí es principalmente un molino de bolas con agitador, cuyo movimiento hace que las cuentas se muevan e impacten o froten las partículas a moler. Se pueden encontrar diseños que utilizan medios de reducción sueltos, principalmente en molinos horizontales largos, pero otros diseños más eficientes utilizan en realidad un lecho vertical compacto de cuentas, agitado. El uso de cuentas empaquetadas y agitadas permite absorber mucha energía y moler las partículas hasta unas pocas decenas de micras. Para separar las cuentas y el producto al final del molino, se coloca una rejilla con diámetros de agujero menores que los de las cuentas. Es importante considerar que las cuentas agitadas, especialmente si están densamente empaquetadas en la cámara de molienda, generan calor. Por lo tanto, estos molinos deben enfriarse y suelen tener camisas dobles.
Molinos Húmedos	Molinos coloidales	Los molinos coloidales están ahora bastante extendidos en la industria. Pueden implementarse fácilmente en procesos pequeños que requieren la molienda de una suspensión. Los molinos coloidales logran básicamente la reducción de tamaño sometiendo el producto a intensas fuerzas de cizallamiento generadas por un rotor de alta velocidad. El rotor está dentro de una carcasa; al introducir el producto, el rotor crea un flujo que finalmente rompe las partículas. La carcasa está equipada con agujeros que permiten extraer el producto molido.

Además, la integración del proceso del molino debe diseñarse según el rendimiento del mismo: puede implementarse una molienda en circuito abierto o cerrado.

En la molienda en circuito abierto, la alimentación pasa por el molino una sola vez; es adecuada si el molino es lo suficientemente eficiente para alcanzar la DGP deseada en una sola pasada. Proporciona el proceso más simple.

En la molienda en circuito cerrado, debe implementarse un sistema para separar las partículas con tamaño excesivo de aquellas con el tamaño deseado después del molino. Normalmente, es una operación de cribado donde los rechazos se recirculan al molino.

3. Selección de tipos de molino

Es muy importante comprender qué rendimiento puede alcanzar un tipo de molino para cada tipo de sólidos. Esto permitirá al ingeniero de procesos seleccionar adecuadamente un tipo de molino para un nuevo proceso, o incluso realizar análisis de fallos en un proceso existente.

La primera pregunta a plantear es la fase en la que debe realizarse la molienda. Si es en fase húmeda, la elección se orientará principalmente hacia un molino de bolas agitado o, si la molienda es sencilla y la reducción de tamaño esperada no es demasiado significativa, hacia un molino coloidal.

Tabla 2 : Distribución de tamaño de partícula alcanzable para cada tecnología de molienda

Distribución de tamaño de partícula esperada (d50)	Molinos posibles
Medio-grueso (10 mm)	Molino de rodillos Molino de martillos
Medio-fino (1 mm)	Molino de rodillos Molino de martillos
Fino (0,1 mm)	Molino de rodillos (considerar múltiples etapas) Molino de rodillos de alta compresión Molino de martillos de alta velocidad Molino universal de alta velocidad Molino de pines
Superfino (0,025 mm)	Molino universal de alta velocidad Molino de pines Molinos de chorro Molinos de bolas agitados (húmedo)

La naturaleza de las partículas a moler también guiará la selección del equipo. Es especialmente importante comprender la dureza del producto a moler.

En la literatura, la dureza a veces se refiere a la escala de dureza de Mohs, que se presenta a continuación:

Tabla 3 : Escala de dureza de Mohs

Dureza de Mohs	Producto de referencia
1	Talco
2	Yeso o sal
3	Calcita
4	Fluorita
5	Apatita
6	Feldespato
7	Cuarzo
8	Topacio
9	Corindón
10	Diamante

Una vez determinada la dureza del producto a moler, la siguiente tabla puede ayudar a preseleccionar el tipo de molino que podría ser adecuado. El resultado debe combinarse con la fineza deseada, según la tabla anterior.

Tabla 4 : Selección de molino según la dureza del material

Dureza del producto	Molinos posibles
1-3 (blando)	Rodillos Molino de rodillos de alta compresión Molino de martillos Molino de martillos de alta velocidad Molino universal Molino de pines Molino de bolas agitado (húmedo) Molino coloidal (húmedo)
4-6 (dureza media)	Molino de rodillos Molino de rodillos de alta compresión Molino universal Molino de bolas agitado (húmedo)
7-10 (duro)	Molino de rodillos de alta compresión

4. Seguridad en sistemas de molienda

Las referencias dadas anteriormente sobre los tipos de molinos muestran que la mayoría de ellos operan a velocidades muy altas, lo que genera diferentes riesgos mayores para la seguridad del proceso. Los principales riesgos se enumeran a continuación.

Por lo tanto, con el fin de prevenir un incendio, una explosión o mitigar las consecuencias, los sistemas de molienda suelen estar equipados con los siguientes dispositivos. Estas son consideraciones generales, aunque bastante completas; sin embargo, cada operador de molino debe realizar su propia evaluación de riesgos, determinar qué riesgos son específicos de su instalación y tomar las medidas adecuadas.

Las consideraciones siguientes se aplican principalmente a la conminución en seco.

PREVENCIÓN de explosiones de polvo en sistemas de molienda

Prevenir explosiones, en el caso de un molino, consiste principalmente en evitar que cuerpos extraños entren en el molino, detectar cualquier problema mecánico y detectar si se produce un sobrecalentamiento del producto, debido a un exceso de llenado.

Tabla 5 : Medidas de prevención de explosiones en molinos

Prevención	Medida adoptada
Evitar la entrada de cuerpos extraños	La alimentación del producto debe controlarse mediante una criba vibrante y un imán - en algunos casos, podría ser un detector de metales
Detectar problemas mecánicos	Una avería mecánica en partes rotativas puede generar contacto metal-metal, produciendo chispas o sobrecalentamiento en un rodamiento, por ejemplo. Algunos molinos están equipados con detección de vibraciones; si la vibración supera un umbral definido, el molino se detendrá. También se instalan sensores de temperatura en los rodamientos para detectar sobrecalentamiento. Los rodamientos también deben purgarse para evitar que el producto alcance dichas partes y se caliente hasta el punto de ignición.
Prevenir el sobrellenado	La alimentación del molino debe controlarse perfectamente para evitar cualquier sobrellenado que pueda provocar el calentamiento del producto y su combustión lenta. El control de la vibración y la corriente en el motor también puede permitir detectar este incidente.
Inertización	Algunos molinos se inertizarán con nitrógeno para evitar cualquier riesgo de explosión.

MITIGACIÓN de explosiones de polvo en sistemas de molienda

En caso de que las medidas de prevención no hayan sido suficientes y ocurra un accidente que derive en una explosión, los sistemas de molienda pueden protegerse mediante los siguientes dispositivos.

Tabla 6 : Medidas de mitigación de explosiones en molinos

Mitigación	Medida adoptada
Resistencia a explosiones	Algunos sistemas de molienda pueden diseñarse para resistir explosiones, generalmente hasta 10 bar g. Esta es una forma eficiente de contener una explosión; sin embargo, el resto del proceso también debe diseñarse en consecuencia, con dispositivos capaces de detener la propagación de la explosión y confinarla en la zona diseñada para soportar la presión.
Confinamiento de explosiones	Diferentes equipos pueden utilizarse para evitar la propagación de una explosión. Válvula Ventex: es una válvula pasiva que se cerrará bajo el efecto de una onda de presión Válvula rotativa antiexplosión: válvula de estrella con suficientes alvéolos para detener una explosión. La explosión debe ser detectada para detener la rotación de la válvula. Válvula de acción rápida: generalmente ubicada en la tubería. Estas válvulas pueden cerrarse en pocos ms tras la detección de una explosión. También es necesario contar con un sensor de detección de explosiones y un PLC de seguridad para cerrar la válvula a tiempo.
Venteo de explosión	Los paneles de alivio de explosión pueden posicionarse, generalmente aguas abajo del molino, para liberar la presión de una explosión y evitar así daños peligrosos. Estos paneles también pueden acoplarse con un dispositivo de detención de llamas.
Supresión de explosiones	Un extintor puede activarse al inicio de una explosión para evitar que la onda de presión alcance su presión máxima.

5. Operación de molinos

La principal preocupación en un entorno industrial es alcanzar una Distribución de Tamaño de Partícula (DTP) especificada a un determinado caudal. El operador debe, por tanto, reaccionar ante posibles cambios en la DTP observada y comprender los parámetros de control del proceso. Algunos de estos parámetros se explican a continuación.

Tabla 7: Parámetros de control del proceso de molienda

Parámetro de proceso	Cambio (todo lo demás constante)	Efecto esperado
Caudal de procesamiento	Mayor	Admitir más sólidos en el molino se espera que aumente y ensanche la DTP Por el contrario, reducir el caudal puede ser una solución temporal para volver a una DTP más fina
Humedad de la alimentación	Mayor	Tener una alimentación más húmeda puede generar una DTP más gruesa, ya sea dificultando la rotura de las partículas o causando agglomeración del polvo tras la fractura
DTP de la alimentación	Mayor	Es muy importante controlar la DTP de la alimentación. Cualquier cambio tendrá un impacto en la DTP del producto molido. En la molienda húmeda, con molinos de lecho agitado, una DTP demasiado alta puede provocar finalmente una obstrucción en la entrada del molino.
Velocidad	Mayor	Aumentar la velocidad del molino reducirá la DTP, aunque consumiendo más potencia. Debe tenerse en cuenta que, a mayor velocidad, mayor será el desgaste. Por lo tanto, el desgaste del molino debe gestionarse, especialmente en molinos de bolas, donde parte de las bolas pueden ser arrastradas con el flujo del producto (se debe verificar la aceptabilidad de la contaminación).
Contenido graso	Mayor	Una alimentación grasa favorecerá fenómenos de agglomeración, lo que aumentará la DTP. Los productos grasos también pueden obstruir el molino, reduciendo su eficiencia o incluso generando problemas de seguridad (sobrecalentamiento).
Temperatura	Mayor	Una temperatura más alta puede tener consecuencias negativas en la molienda, especialmente con polvos que pueden ablandarse debido al calor. Por lo tanto, debe implementarse un control de temperatura.
Tamaño de las bolas (o perlas)	Menor	Para molinos de lecho agitado: bolas más pequeñas aumentarán la superficie de molienda, logrando así una DTP más fina.

Fuentes

Experiencia industrial del autor
Principios de tecnología de polvos, Martin Rhodes et al., John Wiley and sons, 1990