Uso de pruebas dinámicas de polvo para optimizar los procesos de envasado

18 de octubre de 2016

Haver & Boecker es un proveedor especializado de máquinas de embalaje y cribado para industrias manufactureras, con clientes concentrados en los sectores de alimentos, productos químicos a granel y pinturas. Una actividad importante es la especificación y fabricación de soluciones de envasado llave en mano para polvos y gránulos que normalmente incluyen: silos y tolvas para almacenamiento; estaciones de llenado para contenedores a granel intermedios (IBC) o sacos de 1-50 kg; sistemas de dosificación y pesaje; y planta de transporte neumático. Cada año se suministran cientos de soluciones personalizadas y cada nuevo producto presenta un desafío diferente en el procesamiento de polvo. Hace aproximadamente una década, Haver & Boecker invirtió en un reómetro de polvo FT4 de Freeman Technology, Reino Unido, para medir la fluidez de los materiales que se manejan con el objetivo de garantizar una selección y optimización de equipos más eficientes y sólidas. Este artículo explora el impacto que ha tenido la medición precisa del flujo de polvo y cómo la empresa utiliza los datos que proporciona el instrumento para refinar su enfoque de diseño y especificación de equipos.Fluidez en la industria del embalaje Para Haver & Boecker, cada nuevo proyecto de solución de empaque comienza con una evaluación de las propiedades físicas del material a procesar. Garantizar un flujo de material continuo a través de una línea de envasado es fundamental y depende de la selección de equipos que se adapten bien a las características inherentes del polvo o los gránulos que se manipulan. A largo plazo, una combinación deficiente compromete la rentabilidad al reducir el rendimiento, provocando paradas de máquinas y tiempo de inactividad excesivo, y aumentando la necesidad de intervención manual. Por lo tanto, es crucial identificar qué propiedades físicas medir para evitar estos problemas. Las características como la densidad, la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de humedad y grasa, la compactación y la forma de las partículas se han medido durante mucho tiempo para guiar la selección del equipo. Todos estos parámetros afectan el comportamiento del material y la fluidez del polvo, un rasgo fundamental para el procesamiento y el envasado. Sin embargo, la empresa reconoció que, incluso en combinación, estos parámetros eran insuficientes para cuantificar de manera confiable la fluidez de una manera que se correlacionara con el rendimiento de la planta: faltaba una información vital para la especificación robusta del equipo. Los primeros intentos de abordar esta brecha de información midiendo directamente la fluidez se centraron en el uso de una celda de corte Jenike. Esta técnica implica medir las fuerzas requeridas para cortar un plano de polvo consolidado en relación con otro y cuantifica la cohesividad de un polvo a través de valores de límite elástico no confinado (UYS) y otros parámetros. Estos datos se utilizan ampliamente en el diseño de tolvas, para solucionar problemas de descarga de la tolva y también, de manera más amplia, para clasificar la fluidez. Sin embargo, el análisis de celdas de corte puede ser manual, laborioso y sujeto a una variabilidad significativa de operador a operador, según el instrumento empleado. Haver & Boecker encontró que podría llevar hasta medio día medir un solo producto con la celda de corte, y que la clasificación resultante del polvo podría variar entre "flujo libre" y "pegajoso" como resultado de la variabilidad en el operador. técnica. Claramente, esta estaba lejos de ser una solución ideal y se tomó la decisión de buscar alternativas.Aceptación de las pruebas dinámicas de polvo Alrededor de 2005, cuando Haver & Boecker comenzó a investigar métodos alternativos para la medición de la fluidez del polvo, la prueba dinámica del polvo era una técnica relativamente nueva; su relevancia industrial no estaba probada en gran medida, pero los posibles beneficios ya estaban claros. Las pruebas dinámicas, en contraste con la configuración de la celda de corte existente, ofrecieron una medición relativamente rápida y eficiente y, lo que es igualmente importante, procesar datos relevantes. Las pruebas dinámicas son muy sensibles y pueden diferenciar los polvos que el análisis de células de corte clasifica como idénticos, destacando las diferencias que afectarán el rendimiento del proceso. Una evaluación técnica rigurosa llevó a la empresa a concluir que una inversión en la capacidad de prueba dinámica de polvo proporcionaría acceso a los mejores datos de fluidez disponibles y se convirtió en uno de los primeros usuarios del reómetro de polvo FT4 de Freeman Technology. La capacitación inicial brindada para el reómetro de polvo FT4 fue integral y el instrumento se convirtió rápidamente en un uso rutinario, y los operadores encontraron la medición simple y directa. Desde entonces, el reómetro de polvo FT4 ha proporcionado 10 años de funcionamiento ininterrumpido y sin mantenimiento. Durante ese tiempo, se han analizado alrededor de 1000 muestras cada año, una tasa de trabajo sustancial lograda como resultado de una confiabilidad impresionante.Aprovechar los datos dinámicos Una dificultad principal asociada con la especificación de cualquier forma de equipo de procesamiento de polvo es que existen pocos algoritmos de diseño seguros que vinculen el rendimiento de diferentes equipos con propiedades medibles del polvo. Podría decirse que el diseño de tolvas es el área en la que un enfoque 'científico' está mejor establecido, pero incluso en este caso la optimización sólida puede ser difícil. Por lo tanto, el enfoque pragmático para aquellos que se enfrentan rutinariamente con la especificación de equipos de procesamiento para polvos y gránulos es desarrollar una base de datos para vincular las propiedades medibles del material con el rendimiento del proceso observado. Es probable que las soluciones que han funcionado bien para polvos con propiedades específicas vuelvan a funcionar para aquellos con características muy similares. Haver & Boecker ha evaluado ampliamente el impacto de la fluidez en el rendimiento del equipo al medir el BFE de cada polvo manejado durante la última década. Los polvos con el mismo valor BFE o uno similar tienden a requerir un equipo de envasado similar porque el impacto del flujo es crucial, pero también se tienen en cuenta otras propiedades para garantizar la mejor solución. Al correlacionar la experiencia con las mediciones dinámicas, la empresa ha creado y perfeccionado efectivamente su propio proceso de diseño interno. Con una década de datos instalados, los ingenieros confían cómodamente en este proceso y pueden ofrecer soluciones de bajo riesgo con un alto grado de confianza. Más especialmente, se pueden desarrollar diseños que minimicen la cantidad de aire en el proceso, maximizando así el rendimiento. Minimizar el contenido de aire en los polvos envasados ​​maximiza el llenado de la bolsa y, por lo tanto, es un objetivo definitorio para la industria. Sin embargo, la cantidad de aire presente en el polvo afecta directamente la facilidad con la que fluye. Por lo tanto, los equipos como los chorros de aireación se utilizan de forma rutinaria para lubricar los polvos que fluyen menos y mejorar su rendimiento de flujo. Al cuantificar sólidamente la fluidez, las pruebas dinámicas han permitido a Haver & Boecker reducir la cantidad de aire en sus soluciones de envasado a un mínimo absoluto, optimizando así el rendimiento y, al mismo tiempo, eliminando el riesgo del proceso con respecto a bloqueos/tiempo de inactividad. Esta es una ganancia importante que sustenta la provisión de soluciones de procesamiento altamente competitivas.Estudio de ejemplo: una solución de envasado para cacao La Tabla 1 muestra datos de prueba para dos cacaos en polvo diferentes, incluido el contenido de humedad, la densidad aparente y los valores de BFE. Estos datos indican que, aunque se trata de muestras del "mismo" producto, son, de hecho, marcadamente diferentes. El cacao 1 tiene una mayor densidad aparente, suelta y apisonada, y también exhibe un comportamiento de aireación homogéneo, lo que sugiere que la adición de aire lubrica de manera efectiva cada partícula individual. En contraste, Cocoa 2 canaliza cuando se airea, una respuesta típicamente asociada con fuerzas interparticulares relativamente fuertes, y se desairea más rápidamente. Estas son características muy relevantes a la hora de seleccionar soluciones de envasado. El BFE de Cocoa 2 es sustancialmente más bajo que el de Cocoa 1, lo que indica que es probable que fluya más fácilmente. Los ensayos de ambos productos se realizaron en una máquina 'empacadora de aire' (ver figura 2). Consta de una cámara de presión con fondo inclinado, para facilitar la descarga y limpieza, y permite variar la velocidad de aireación según las características del producto. La succión continua durante el llenado garantiza altas tasas de llenado con una presión interna mínima en la bolsa. En las pruebas, tomó 23 segundos llenar una sola bolsa de 25 kg con Cocoa 2. Esto resultó en una producción de la máquina llenadora de 110 bolsas por hora. Como sugirieron las cifras de BFE, Cocoa 1 no fluyó tan bien y este polvo tardó 30 segundos en llenar la misma bolsa; la producción de la máquina cayó a 90 bolsas por hora. Estos resultados son típicos de los observados en una amplia gama de productos diferentes y demuestran cómo se pueden utilizar los valores de BFE para predecir el rendimiento probable de las soluciones de envasado y garantizar expectativas realistas con respecto a la tasa de llenado y el rendimiento.Pensamientos finales La caracterización física integral proporciona la base para el diseño/selección de cualquier solución de empaque. Para Haver & Boecker, la satisfacción del cliente se basa en definir una solución de procesamiento que funcione de manera confiable para su producto, desde el principio, sin modificaciones ni resolución de problemas, por lo que optimizar ese proceso de caracterización física es crucial. La adopción de la medición dinámica del flujo de polvo con el reómetro de polvo FT4 ha demostrado ser muy eficiente, en comparación con las opciones alternativas de prueba de polvo, y proporciona datos muy relevantes para la selección del equipo de procesamiento. La empresa ahora mide la fluidez de cada muestra que recibe. La correlación de los resultados con la experiencia de procesamiento recopilada durante una década de dichas pruebas ayuda a identificar la mejor máquina de envasado para cada producto. Al aplicar este enfoque, la empresa puede especificar con confianza soluciones de empaque de alto rendimiento para una amplia gama de materiales que maximizan el rendimiento y minimizan el riesgo operativo. ____________________________________________________________________________________Prueba dinámica de polvo La prueba dinámica de polvo, como sugiere su nombre, consiste en medir un polvo en movimiento. Las propiedades dinámicas del polvo se determinan a partir de las mediciones del par y la fuerza que actúan sobre una hoja helicoidal a medida que gira a través de una muestra de polvo a lo largo de una trayectoria definida. Las muestras se pueden medir en un estado consolidado, de estrés moderado, aireado o incluso fluidizado, lo que representa todo el rango de estrés que existe en el procesamiento de polvo de rutina. De hecho, la técnica se desarrolló específicamente para probar polvos en apoyo del diseño de procesos, la optimización y los estudios de resolución de problemas, y se usa ampliamente para maximizar la comprensión de cómo se comportará un polvo en cualquier entorno de proceso dado. El parámetro Energía de fluidez básica (BFE) es un propiedad dinámica de referencia que cuantifica cómo fluirá un polvo en condiciones forzadas o en un estado confinado. Se mide sometiendo el polvo a un movimiento transversal hacia abajo de una cuchilla que lo empuja contra la base de confinamiento de la celda de muestra. BFE es un parámetro altamente diferenciador, capaz de detectar diferencias entre muestras de polvo que otras técnicas clasificarían como idénticas. Se puede utilizar con éxito para rastrear cambios relativamente modestos en las características del polvo/gránulos y para diferenciar materiales muy similares de una manera que se relacione con su procesabilidad.

Jamie Clayton es director de operaciones de Freeman Technology Ltd y Thomas Hilling es director del Centro de I+D de Haver & Boecker. Para obtener más información sobre Freeman Technology Ltd, visite www.freemantech.co.uk. Para obtener más información sobre Haver & Boecker, visite www.haverboecker.com.

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