Apelmazamiento de polvos

1. ¿Qué es el apelmazamiento de polvos?

¿Tiene un problema de apelmazamiento de polvo?

El apelmazamiento de polvos, a veces llamado aglomeración de polvos, es la transformación física de un polvo a granel desde un estado de flujo libre hasta una solidificación parcial o total, con distintos grados de severidad. El apelmazamiento de un polvo puede ser muy débil, descomponiéndose en etapas posteriores del proceso (lo cual no es demasiado problemático), o puede ser mucho más severo, con grumos persistentes que causan problemas operativos en plantas industriales, e incluso quejas de consumidores si el material ha sido acondicionado para su venta. El apelmazamiento ocurre en todo tipo de polvos siempre que las condiciones sean favorables, como en el caso del azúcar, sales o detergentes.

El polvo a granel completo puede apelmazarse o solo una parte, con grumos distribuidos aleatoriamente. En cualquier caso, un fenómeno físico —de diversa naturaleza— mantiene unidas las partículas que antes fluían libremente. El objetivo de esta página es revisar cuáles podrían ser las causas raíz que explican la aglomeración de polvos y qué se puede hacer para resolver el problema.

Tenga en cuenta que existen otros problemas de flujo, con síntomas distintos pero menos comunes, que no se detallan en esta página. Entre ellos, cabe destacar el fenómeno de " fluidización " del polvo, que en realidad es lo contrario a los problemas mencionados anteriormente: la fluidización termina en un flujo incontrolable fuera del silo.

2. Causas raíz del apelmazamiento de polvos

¿Por qué se apelmazan los polvos? Análisis de las principales causas del apelmazamiento de polvos

Existen muchas causas raíz posibles que explican la formación de grumos en polvos [Zafar], las cuales pueden ser de origen mecánico, químico, por flujo plástico o eléctrico. En cada categoría hay una multitud de fenómenos que pueden conducir al apelmazamiento de polvos en diversos grados, pero los más importantes en la industria se enumeran a continuación.

2.1 Puentes sólidos

El vínculo más fuerte entre partículas, que conduce a un fenómeno de apelmazamiento muy persistente, es la formación de un puente sólido entre partículas. Tras este fenómeno, las partículas se fusionan, lo que significa que el grumo ya no está formado por partículas individuales débilmente conectadas, sino que en realidad se convierte en una sola partícula.

Estos puentes sólidos pueden crearse debido a una acción mecánica entre partículas: las partículas están sometidas a un esfuerzo durante el tiempo suficiente para que se forme un enlace sólido. Sin embargo, se informa que este tipo de enlace es bastante débil.

Un enlace más fuerte puede formarse mediante la evaporación de un disolvente. Si un disolvente está presente en cantidades suficientes para disolver parte del material y formar puentes entre partículas, entonces, al evaporarse, el sólido disuelto terminará entre las partículas, creando un enlace sólido.

2.2 Puentes líquidos

Los puentes líquidos son una de las causas raíz más comunes del apelmazamiento de polvos, y uno de los fenómenos más intuitivos, ya que muy a menudo involucran agua (humedad). En este modo de apelmazamiento, un líquido está presente en la superficie del polvo; primero llena^a alguna porosidad, pero por encima de un cierto umbral puede empezar a crear puentes entre las partículas. Estos puentes mantienen unidas las partículas y forman un grumo. Este tipo de puente entre partículas no es muy fuerte y solo puede ocurrir si las partículas son lo suficientemente pequeñas y la proporción de líquido es lo suficientemente alta.

Para dar perspectiva, [Zafar] menciona que la fuerza capilar que define la resistencia del puente líquido puede calcularse para partículas < 1 mm de diámetro, mientras que [Modugno] establece, para partículas de lactosa, un umbral de d50 < 400 micras y/o contenido de agua > 3%.

2.3 Transición vítrea

La transición vítrea es un fenómeno que ocurre en materiales amorfos. Más allá de cierta temperatura, la temperatura de transición vítrea (Tg), el material se ablanda, se vuelve pegajoso y, por lo tanto, tiende a apelmazarse. Cabe señalar que la temperatura de transición vítrea está fuertemente influenciada por la humedad del material. El agua actúa como plastificante, lo que significa que reducirá la temperatura de transición vítrea.

Para materiales amorfos, es importante poder determinar la temperatura de transición vítrea en función del contenido de humedad del material. Esto permite verificar a qué humedad la Tg puede estar por debajo de la temperatura de procesamiento o almacenamiento; en tal caso, el material se ablandará y comenzará a apelmazarse.

2.4 Medición

Las isotermas de sorción, las pruebas con celdas de cizallamiento y la calorimetría diferencial de barrido (DSC) pueden utilizarse para confirmar la causa raíz del apelmazamiento, medir su extensión e intentar establecer especificaciones para parámetros operativos en los que no ocurra la formación de grumos.

• Isoterma de sorción: esta medición permite determinar el contenido de humedad de un polvo en función de la actividad de agua (= Humedad Relativa). La forma de la isoterma ya puede dar información sobre los mecanismos involucrados en el apelmazamiento (por ejemplo, puede mostrar condensación capilar en alguna etapa, señal de creación de puentes líquidos).
• Celdas de cizallamiento / reómetro de polvos : estos instrumentos pueden ayudar a determinar la gravedad del apelmazamiento (¿se requiere mucho cizallamiento para romper el grumo?) y también pueden dar información sobre la cinética del apelmazamiento (por ejemplo, una muestra puede medirse tras diferentes tiempos de exposición a humedad, carga, temperatura, etc.).
• Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC): esta medición es relevante para materiales que se apelmazan debido al cruce de su temperatura de transición vítrea. La Tg puede medirse a diferentes humedades (contenido de humedad). Estos datos pueden acoplarse con la isoterma de sorción para determinar una variación de la Tg en función de la humedad relativa. Esto ayuda a verificar si, en ciertas condiciones de proceso donde se conocen la humedad relativa y la temperatura, el material está en riesgo de apelmazamiento.

3. ¿Cómo resolver el apelmazamiento de polvos?

Soluciones para el apelmazamiento de polvos

¿Cómo prevenir el apelmazamiento de sólidos a granel?

La solución a un problema de aglomeración de polvos depende del fenómeno que causa la formación de grumos en los sólidos a granel. Sin embargo, en la práctica, para los operadores de plantas, es difícil identificar rápidamente dicha causa raíz. Las siguientes soluciones (propuestas por [Zafar]) deben tomarse como indicativas; por lo tanto, se requiere un estudio más profundo o pruebas de ensayo y error para identificar una solución eficiente al apelmazamiento de polvos.

• Tener un producto menos fino / reducir la proporción de finos en la DTP (como se mencionó anteriormente, las partículas pequeñas son más propensas al apelmazamiento que las más grandes).
• Reducir el contenido de humedad (esto evitará la creación de puentes líquidos, la formación de puentes sólidos si el agua disuelve parte del producto antes de evaporarse, y evitará reducir la temperatura de transición vítrea de algunos materiales).
• Eliminar de la composición el principal componente causante del apelmazamiento.
• Evitar ciclos de temperatura y humedad (esto evitará la creación de puentes líquidos, la formación de puentes sólidos si el agua disuelve parte del producto antes de evaporarse, y evitará reducir la temperatura de transición vítrea de algunos materiales).
• Reducir la carga de consolidación, que suele ser un factor agravante.
• Añadir un aditivo, típicamente un agente de flujo que también proporcione actividad anticompactante: estos aditivos pueden ayudar a absorber humedad, por ejemplo, o evitar el contacto entre partículas al interponerse.

Cabe señalar que un caso particular para los aditivos es el del secado por aspersión, donde la adición de un componente de alto peso molecular (como la maltodextrina) ayudará a elevar la temperatura de transición vítrea (Tg) del componente que se está atomizando.

Si no es posible prevenir el apelmazamiento del polvo a granel, se puede considerar mitigar el efecto de la formación de grumos en el proceso. Algunas posibilidades a considerar son [Johanson]:

• Reducir el tiempo de almacenamiento: el apelmazamiento no es un fenómeno instantáneo; requiere tiempo (muy variable según el material y los mecanismos involucrados). Por lo tanto, es posible reducir el riesgo de apelmazamiento asegurándose de que el material no permanezca demasiado tiempo en una tolva.
• Evitar zonas muertas en tolvas : las tolvas de flujo en masa serán menos propensas al apelmazamiento que las de flujo en embudo, aunque esto puede no ser suficiente para evitarlo por completo.
• En algunos casos, para materiales cuyo mecanismo de apelmazamiento está relacionado con la humedad, es posible acondicionar el interior de un silo con aire seco para evitar que el agua alcance una actividad suficiente para crear puentes sólidos o líquidos, o reducir la Tg. En el caso de puentes sólidos y su influencia en la Tg, esto puede complementarse con un control de la temperatura, por ejemplo, aislando el silo y evitando así ciclos de temperatura y humedad.
• Si el apelmazamiento comienza a ocurrir pero no da lugar a un material duro, algunos dispositivos de ayuda a la descarga como cojines fluidizantes o fondos vibrantes pueden ayudar a superar la resistencia al cizallamiento necesaria para romper los grumos y facilitar el flujo del producto.

Fuente

[Zafar] "A review of bulk powder caking", Zafar et al, 2017, *Powder Technology*
[Johanson] "Understanding and solving material caking problems in dry bulk storage vessels", PBE, 2014