En los procesos que involucran sistemas particulados, ocurren diversos mecanismos que tienden a modificar la distribución de tamaño de las partículas. Según la aplicación, algunos de estos mecanismos son deseados mientras que otros deben ser evitados o minimizados. Dependiendo del proceso, varios mecanismos pueden ocurrir de manera simultánea.
Los procesos que modifican el tamaño de partículas (i.e., unidades de aumento de tamaño como granuladores y de disminución de tamaño como molinos) son semejantes a los que ocurren en los reactores químicos cuando se llevan a cabo reacciones irreversibles (Bucalá y Piña, 2007). Es decir, que un cambio en la distribución de tamaños de una población de partículas resulta difícil y prácticamente imposible revertir, mediante procesos físicos, a la distribución de tamaños original. Los procesos que no causan cambios en el tamaño de las partículas se clasifican en operaciones unitarias de separación (e.g., zarandas, ciclones, filtros) y mezclado. Éstos son equivalentes a los procesos de separación (e.g., en columnas de destilación) y mezclado de gases y líquidos.
Las técnicas de aumento de tamaño se usan ampliamente en las industrias farmacéutica, de fertilizantes, de alimentos, minerales, cerámicas, etc. (Litster et al., 2004). Existen distintos métodos para lograr el aumento de tamaño de las partículas; la Tabla 1.3 presenta tres maneras diferentes de clasificarlos.
De acuerdo a la ausencia o presencia de fuerzas mecánicas externas, los procesos de aumento de tamaño se pueden dividir en dos grandes categorías: por agitación y por compresión, respectivamente (Litster et al., 2004). Los procesos de aumento de tamaño que ocurren en un ambiente agitado utilizan un ligante que se agrega al material particulado para formar enlaces entre partículas o entre el ligante y los sólidos. El ambiente agitado promueve la dispersión del ligante y el crecimiento de las partículas, de manera que no es necesario utilizar fuerzas mecánicas externas para promover el contacto de las partículas y el líquido. El sistema de agitación puede ser mecánico (e.g., agitador de paletas) o neumático (mediante la circulación de gas). El aumento de tamaño por compresión, por otro lado, implica la compactación de los núcleos por medio de fuerzas de presión que actúan sobre la masa de sólidos, la cual es moldeada y densificada sin necesidad de ligantes o aglutinantes (Perry y Green, 1999). La tecnología de compactación es independiente de la distribución de tamaño de las partículas originales. Por esta razón, es un método muy versátil para aumentar el tamaño de partículas.
Tabla 1.3. Clasificación de procesos de aumento de tamaño. I. Ausencia/presencia de fuerzas externas
1. Agitación a. Mecánica b. Neumática 2. Compresión
II. Número de núcleos que intervienen en la formación de cada partícula 1. Recubrimiento
a. Layering b. Accretion 2. Aglomeración III. Naturaleza del ligante
1. Sólido 2. Líquido a. Solución b. Fundido c. Suspensión
Los procesos de aumento de tamaño que ocurren en ambiente agitado pueden dividirse a su vez en procesos de recubrimiento o aglomeración. El recubrimiento implica la adición de material ligante en forma de gotas (recubrimiento líquido) o polvo de pequeño tamaño (recubrimiento seco), que se deposita y adhiere a las partículas (Saleh y Guigon, 2007). El aumento de tamaño se produce como consecuencia de la unión de material ligante a cada partícula. En el recubrimiento con líquido, si el ligante consiste en una solución acuosa, la solidificación del mismo se produce mediante la evaporación del agua presente en solución. Por otro lado si el ligante es un fundido, la solidificación ocurre por enfriamiento. En el caso de una suspensión, tanto la evaporación del solvente como un cambio de temperatura pueden originar el cambio de fase del material ligante. En el recubrimiento seco, el ligante se aplica al sistema en la forma de polvo de pequeño tamaño. La adherencia del polvo a los núcleos se produce por fuerzas de van der Waals o electrostáticas. El recubrimiento no modifica el número de partículas originales, ya que la cantidad de núcleos permanece invariante durante el crecimiento con un aumento en la masa o volumen de la población (Bucalá y Piña, 2007).
En la aglomeración, el ligante también puede ser una solución líquida, fundido, suspensión (aglomeración mojada) o polvo (aglomeración seca). A diferencia del recubrimiento, en la aglomeración dos o más partículas se agrupan formando una nueva partícula de mayor tamaño (Pietsch, 1991). En la aglomeración húmeda se utiliza como
ligante, que facilita el crecimiento de las partículas, una solución que posee un solvente de fácil evaporación y el soluto que se desea depositar sobre las partículas originales. Las gotas de líquido forman puentes entre las partículas, que las unen mediante fuerzas viscosas y capilares (Litster et al., 2004). En el caso de la aglomeración seca, al igual que ocurre para el recubrimiento seco, el material que actúa como ligante es un polvo que por fuerzas electrostáticas o de tipo van der Waals se adhiere sobre el sistema particulado original. En ciertas ocasiones, la temperatura del sistema se aumenta para lograr la fusión temporaria de ese material sobre los sólidos, para luego disminuirla con el objeto de facilitar la solidificación y adhesión permanente del sólido agregado. De acuerdo a la clasificación realizada, los procesos de aumento de tamaño por compresión caen dentro de la categoría aglomeración seca, ya que implican la unión de varias partículas sin necesidad de un medio líquido para lograr la adherencia.
El término granulación se utiliza para referirse a los procesos de aglomeración que ocurren en un medio agitado (Rhodes, 1998). Si bien el proceso que se estudia en esta tesis es un proceso de recubrimiento (buscando minimizar la aglomeración), el equipo industrial que se usa para tal fin recibe el nombre de granulador. En consecuencia, en la presente Tesis se empleará el nombre granulación para denominar tanto a la aglomeración como al recubrimiento que ocurren en un medio agitado.
La granulación fundida involucra el uso de materiales fundidos (sin cantidades de solvente apreciables) como ligantes, la temperatura se debe controlar con el objeto de favorecer la solidificación del aglutinante adicionado generalmente mediante un proceso de atomización. La granulación de urea corresponde prácticamente a la categoría de granulación fundida (aunque el ligante posee un 4% p/p de agua).
En general, los granuladores se clasifican en tres categorías: rotatorios, de alto o mediano corte y de lecho fluidizado (Litster et al., 2004; Perry y Green, 1999). Recientemente, surgieron otros granuladores que combinan características de los anteriores, por ejemplo los de tambor rotatorio fluidizados (Rojas et al., 2010). Los equipos se diferencian básicamente en la manera en que favorecen el mezclado de las partículas. Los granuladores rotatorios pueden ser de tambor o de disco. Los granuladores de tambor consisten en un cilindro provisto de elevadores interiores, donde el mezclado se genera por la rotación del tambor. Los granuladores de disco consisten en un plato de gran tamaño con un borde perpendicular, suelen operar con determinada inclinación y velocidad de rotación, produciendo el mezclado
de las partículas con las gotas del ligante atomizado (Delwel y Veer, 1978). Los granuladores de alto y mediano corte utilizan un impulsor y, en ciertas ocasiones, una cuchilla que mantiene las partículas y el ligante en constante agitación impidiendo la formación de aglomerados (Reynolds et al., 2007). En la Figura 1.11 se muestran imágenes de estos granuladores.
Las ventajas de los lechos fluidizados sobre otros sistemas de granulación incluyen: acoplamiento de las etapas de atomización, granulación, secado y enfriamiento en una única unidad y ajuste, dentro de ciertos límites, de la morfología de los gránulos mediante la manipulación de algunas variables operativas (Heinrich et al., 2005). En estos granuladores, la corriente de aire de fluidización favorece el mezclado de las partículas con las gotas de ligante mediante la circulación repetida de las partículas por la zona de atomización. Para la producción industrial de urea granulada, es común el uso de granuladores continuos de lecho fluidizado (Mörl et al., 2007). En la Sección 1.8 se describe detalladamente el granulador industrial de lecho fluidizado para producción de urea, objeto de esta Tesis.
Figura 1.11. Equipos para granulación: 1: granulador discontinuo de lecho fluidizado (PLAPIQUI), 2: granulador continuo de lecho fluidizado (http://www.process.vogel.de), 3: granulador de tambor (Page et al., 2006), 4: granulador de alto corte (http://www.lochtec.dk),
5: granulador de disco (http://www.uni-weimar.de).