Un molino de chorro es un tipo de molino que se utiliza para producir productos ultrafinos en un proceso seco. La molienda ocurre cuando las partículas chocan con partículas en un lecho fluidizado (aerosol), flujos de aire o vapor a alta presión.
Los molinos de chorro se utilizan para moler materiales cerámicos y abrasivos, sustancias farmacéuticas, rellenos minerales de materiales compuestos, etc. Los molinos de chorro modernos proporcionan un espesor de molienda d97 de 0,7 µm a d97 = 100 µm, lo que corresponde aproximadamente a un tamaño medio de partícula de 200 nm a 50 micras. La productividad varía desde unidades de kilogramos hasta varias toneladas por hora. Las características distintivas de los molinos de chorro son una larga vida útil, la posibilidad de obtener un producto de alta pureza con una gran superficie específica.
La molienda del material en el molino de chorro se lleva a cabo en la cámara de molienda, que se alimenta con aire comprimido o vapor sobrecalentado. El flujo de molienda a través de las boquillas ingresa a la cámara de molienda, donde forma un aerosol a partir de una sustancia sólida molida, llamada lecho fluidizado. Alrededor de los chorros de aire de molienda hay una intensa circulación de partículas. Las velocidades típicas de los flujos de aire de molienda que ingresan al lecho fluidizado en los molinos de chorro son de 400 a 700 m/s (generalmente alrededor de 600 m/s), y en los molinos de vapor, la velocidad del flujo de vapor de molienda puede alcanzar los 1200 m/s. El flujo de molienda es supersónico, lo que provoca dinámicas locales complejas de aceleración de partículas por el aire y distribución de materia en los chorros. Cuando el flujo de aire ingresa al lecho fluidizado, el material es arrastrado en el flujo y acelerado a la velocidad del flujo. Durante el arrastre de partículas materiales en el flujo, ocurren intensas colisiones de partículas entre sí. Tales colisiones son causadas por diferentes velocidades de partículas en el flujo mismo, diferentes tamaños de partículas y diferentes puntos de entrada en el flujo. En el área donde las partículas ingresan al aerosol, se tritura ~70 % del material, el 30 % restante se tritura al encontrarse, cambiar de dirección o reflejarse las partículas que se mueven en el flujo de molienda. De acuerdo con la estructura de la cámara de trabajo, los molinos de chorro modernos se dividen en dos tipos: molinos de chorro con lecho fluidizado y molinos de chorro en espiral (cámara plana). La cámara de trabajo del molino de chorro de lecho fluidizado tiene forma cilíndrica. Las boquillas de molienda están ubicadas al mismo nivel de altura, más cerca del fondo de la cámara, para que los flujos de molienda se compensen entre sí, eliminando el desgaste de las paredes de la cámara y creando efectivamente un lecho fluidizado. Este principio de la cámara de molienda es el más versátil y el más resistente al desgaste. La desventaja de tal esquema es que pueden acumularse piezas compactas de material en el fondo de la cámara. Esto determina los requisitos para el tamaño de partícula de entrada. Las ventajas del molino de lecho fluidizado incluyen muy poco efecto abrasivo del material en la cámara del molino, en la mayoría de los casos el desgaste del molino puede eliminarse por completo o reducirse en gran medida. Por lo general, en instalaciones para moler materias primas minerales que contienen impurezas abrasivas (por ejemplo, corindón), se utilizan boquillas de cerámica y revestimiento de la cámara y tuberías del sistema de descarga del molino. El cuerpo y las tuberías están revestidos con poliuretano, se utilizan baldosas de corindón, con menos frecuencia se utilizan óxido de circonio y carburo de tungsteno. La sustitución de los elementos resistentes al desgaste se realiza según el estado actual.
En los molinos de chorro helicoidales (cámara plana), las boquillas de molienda están ubicadas en la pared exterior de una cámara cilíndrica plana, de tal manera que crean un flujo circular, creando un movimiento circular de alta intensidad del aerosol en la cámara de molienda. Esta disposición de cámara es menos resistente al desgaste que la disposición de lecho fluidizado. Sin embargo, dicho molino tiene una serie de ventajas significativas. La cámara del molino no se obstruye al moler polvos con alta densidad y electrificación, no hay problema de adherencia del polvo. Las fuertes fuerzas centrífugas que actúan sobre las partículas de aerosol provocan un aumento de su densidad, lo que mejora la absorción de energía de los flujos de molienda. Con igual productividad, el volumen de la cámara de trabajo del molino espiral es diez veces menor que el volumen de la cámara del molino con lecho fluidizado. Juntos, estos factores determinan el uso de dichos molinos en la industria farmacéutica, es decir, la molienda de compuestos orgánicos a un estado ultrafino. En el caso de la molienda de materias primas orgánicas, no existe desgaste de los molinos, o se debe al contenido de impurezas abrasivas.
El aire de molienda o el vapor que ingresa al molino de chorro se usa para transportar la fracción ultrafina desde el molino. Las presiones típicas de aire de molienda son 4-10 bar (abs.), vapor 35-45 bar e incluso más. Los molinos están diseñados de tal manera que la presión efectiva en la carcasa del molino es ligeramente más alta que la presión atmosférica, de modo que la energía de los flujos de molienda se utiliza de manera más eficiente y las partículas similares al polvo no ingresan a los conjuntos de cojinetes y juntas del alojamiento. La velocidad del flujo de aire saliente debe ser suficiente para transportar las partículas de la fracción requerida. Este principio de retirar el producto de la cámara de molienda determina el límite superior del tamaño de partícula del producto. El flujo de aire vertical en la carcasa del molino de lecho fluidizado no puede transportar eficientemente partículas tan grandes como 200 micras, por ejemplo.
La planta de molienda por chorro, además del propio molino, contiene otros componentes necesarios para asegurar el funcionamiento eficiente del molino para la carga y descarga del producto. Por lo general, el producto se carga en los molinos a través de una compuerta de reloj. La dosificación se realiza ya sea pesando el molino con el material, o por el consumo de corriente del clasificador, o por el método de dosificación constante de una cierta cantidad de material. Las características de diseño de los molinos de chorro dictan los requisitos para el material de alimentación. Para molinos pequeños, el tamaño de partícula promedio debe ser de 1-2 mm o menos, las plantas grandes recomiendan cargar con partículas de menos de 5 mm. El tamaño de partícula a la entrada del molino tiene poco efecto sobre su desempeño, especialmente si se requiere obtener un producto ultrafino a la salida.
Los molinos de chorro modernos, además de la cámara de molienda, tienen un clasificador de partículas integrado que selecciona partículas de la finura de molienda requerida. En un molino de lecho fluidizado, los flujos de molienda se encuentran en el centro de la cámara, parte de los flujos bajan levantando el producto del fondo del molino, el flujo de aire total se dirige hacia arriba. A la salida de la cámara de molienda hay superficies de guía que aseguran un flujo ascendente uniforme de aire y producto. A medida que las partículas más grandes se mueven hacia arriba, se asientan por gravedad, las partículas más pequeñas continúan moviéndose hacia arriba con el aire que sale del molino. El material levantado por el aire se clasifica en una unidad especial que elimina las partículas con una masa demasiado grande. Tal nodo se llama clasificador. Por lo general, el clasificador se monta sobre la cámara de molienda y se coloca en la misma carcasa que el molino. Estructuralmente, el clasificador es un rotor giratorio con palas ubicadas a lo largo del radio de rotación. El flujo de aire con el material ingresa al rotor solo a través de las palas. El fondo del rotor es un anillo con un sello de laberinto soplado y sirve para sacar el producto del molino a través del orificio central. En el caso considerado, a través de la salida lateral de la carcasa situada debajo del rotor clasificador. La parte superior del rotor del clasificador es sólida y está conectada al eje del motor. Por lo tanto, las partículas que experimentan suficientes fuerzas centrípetas abandonan el molino. Las fuerzas centrípetas se deben a las características específicas del movimiento de las partículas en una corriente de aire, su sección transversal y su forma. Desde un punto de vista técnico, el clasificador es una centrífuga, el transporte de partículas a través del cual es proporcionado por fuerzas aerodinámicas. El motor que impulsa el rotor clasificador hace el trabajo de acelerar el aire y el material que ingresa al molino a las velocidades a las que el material de la dispersión deseada sale del molino. Con un aumento en la velocidad del rotor clasificador, el tamaño de las partículas que salen del molino disminuye. Por lo tanto, la finura de molienda del molino de chorro se puede controlar simplemente cambiando la velocidad de rotación del clasificador, incluso directamente durante la operación.
La disposición más fiable del clasificador es la disposición axisimétrica del impulsor del clasificador, mientras que la rotación del impulsor se produce en un plano horizontal. Esta disposición asegura la uniformidad de los flujos que llegan al clasificador. Los diámetros del rotor del clasificador van desde unos pocos centímetros hasta un metro o más. Las hojas del clasificador están hechas de materiales resistentes al desgaste como el óxido de circonio o el carburo de tungsteno. En el caso de moler compuestos orgánicos, son de acero inoxidable. La velocidad de movimiento de las hojas del clasificador se suele hacer baja para reducir el efecto abrasivo sobre las hojas. Las velocidades típicas de la parte exterior de las palas del clasificador son de hasta 150 m/s. En cualquier caso, la velocidad supersónica y cercana al movimiento de las palas no son deseables, esto reduce el rendimiento del clasificador, y cuando se acerca a la velocidad del sonido, la naturaleza del flujo de partículas alrededor del aire acelerado cambia dramáticamente y las palas del clasificador. comience a experimentar una acción abrasiva excesiva. El clasificador debe tener un radio suficientemente grande, además, las grandes distancias recorridas por las partículas en las palas permiten obtener fracciones más estrechas. Los clasificadores modernos pueden tener una sección hiperbólica en expansión del canal interno entre las hojas. Esto se hace para que la velocidad del flujo de aire a lo largo del radio del impulsor caiga en la misma medida que la aceleración centrípeta de las partículas que pasan. Esto le permite crear un área determinada en la que se produce la clasificación, lo que conduce a una disminución de la influencia de la dinámica de partículas en la clasificación y le permite clasificar un aerosol con un mayor contenido de masa de partículas sólidas.
El producto que ha pasado por el clasificador, junto con el aire a una ligera presión, entra en el sistema de aspiración del molino a través de tuberías. El sistema de aspiración incluye un filtro de aire capaz de hacer pasar aire en la cantidad consumida por el compresor a la entrada de la unidad. Para reducir la carga en el filtro, a menudo se usa un separador ciclónico. En un separador ciclónico, el aire se mueve de arriba hacia abajo en espiral, dando varias vueltas. La sección transversal del canal a través del cual fluye el aire con el producto disminuye gradualmente, y también disminuye el radio del giro realizado por el flujo de aire. La separación del producto del aire se produce debido a las fuerzas centrípetas que actúan sobre el aerosol. El producto se toma desde abajo a través de una compuerta de reloj. El producto que queda en el aire se toma del filtro. Si es necesario, el ciclón está alineado. El filtro es un recipiente sellado con elementos de manga. Dependiendo de las especificaciones, se pueden usar varios materiales: membrana para productos farmacéuticos, antiestático para productos inflamables, alta temperatura, etc. Por lo general, el filtro tiene un sistema para sacudir el producto. El recurso de filtro es bastante grande, los elementos se reemplazan de acuerdo con el estado real. Las áreas de superficie de los filtros van desde 7-8 metros cuadrados hasta varios cientos de metros cuadrados. El aire es bombeado fuera del filtro por un ventilador de alta presión adicional. El sistema de succión del molino de chorro debe proporcionar un alto caudal de aire. En la práctica, el sistema de aspiración debe proporcionar una determinada presión de salida del molino de chorro para que el clasificador opere a una determinada caída de presión entre la cámara de molienda y el sistema de salida del producto.
La molienda en un molino de chorro se realiza con aire comprimido o vapor. El aire comprimido se produce en un compresor de tornillo. Los más adecuados son los compresores de tornillo de dos etapas con aire intercooler. El aire que sale del compresor debe estar libre de aceite y de humedad condensable. Para aumentar la eficiencia de los molinos de chorro, se puede utilizar aire caliente, que tiene un volumen mayor que el aire enfriado en un intercooler a la misma presión. También se utilizan compresores de una etapa, que tienen una mayor eficiencia, si no se desecha la energía térmica obtenida al comprimir el aire. Se puede utilizar vapor en lugar de aire. El vapor se obtiene por evaporación del agua en una caldera de vapor que funciona con cualquier tipo de combustible: gas natural, fuel oil, carbón. Dado que el agua tiene una entalpía de vaporización significativa, el uso de vapor se vuelve beneficioso solo a presiones de vapor de 40 bar o más. Si es técnicamente posible trabajar con presiones superiores a 40 bar, entonces la alta eficiencia de la caldera de vapor comienza a mejorar radicalmente la eficiencia de la planta en su conjunto, consumiendo energía térmica con una eficiencia real del 90% o incluso superior.
Los molinos de chorro tienen una serie de ventajas decisivas sobre otros tipos de molinos, lo que conduce a su uso en una serie de industrias. Las ventajas de los molinos de chorro incluyen:
1) la mejor dispersión de molienda para todos los métodos de molienda en seco,
2) la capacidad de obtener un producto de alta pureza sin impurezas,
3) un fuerte aumento de la superficie específica,
4) la capacidad de moler productos sensibles al calor, como la parafina,
5) transición rápida de producto a producto, ajuste de finura de molienda,
6) la capacidad de moler materiales abrasivos.
Todo esto hace que la molienda por chorro sea indispensable en la industria farmacéutica, la producción de cerámicas, pigmentos, sustancias puras, la molienda de materiales altamente abrasivos, etc. Los materiales obtenidos por molienda por chorro tienen una serie de características distintivas. La molienda ocurre debido a la colisión de partículas entre sí. Con tales colisiones, se obtienen micropartículas con bordes afilados, lo que conduce a un fuerte aumento en el área de superficie específica. La densidad aparente del material también se reduce significativamente. Muchos materiales conservan parcialmente su microestructura, por ejemplo, el grafito, la mica y el sulfuro de molibdeno conservan su estructura en capas. Por lo tanto, la molienda por chorro puede conducir a la producción de materiales con nuevas propiedades. En el proceso de molienda, hay una formación intensiva de una nueva superficie y una mezcla intensiva de partículas. Estas condiciones son óptimas para la modificación química de la superficie recién formada.
Un fuerte impedimento para el uso de instalaciones de chorro es su baja eficiencia. La eficiencia típica del compresor de un molino de chorro moderno es del 45-58%. Las posibilidades de diseño para aumentar la eficiencia están obviamente agotadas. El rendimiento del producto resultante es menor que el de los molinos de bolas de accionamiento directo, especialmente cuando se requieren partículas de más de 20-30 micrones. Se puede obtener un aumento de la eficiencia optimizando el proceso de preparación del aire, es decir, la ausencia de enfriamiento intermedio durante la compresión, lo que conduce a un aumento de la velocidad del chorro de molienda en un 30-60%. Así, una de las formas de aumentar la eficiencia de los molinos de chorro es aumentar las temperaturas del aire de molienda, es decir, comprimir el aire sin enfriarlo. Una opción alternativa de reducción de costos es el uso de vapor sobrecalentado. Dichos molinos no tienen una alta eficiencia debido a la pérdida de entalpía de vaporización del agua. La eficiencia real del molino de vapor solo alcanza el valor habitual para una planta compresora a una presión de vapor de más de 40 bar. La reducción del costo de la molienda no se logra aumentando la eficiencia, sino cambiando de la energía eléctrica al uso de portadores de energía, como el gas natural. El componente energético del costo se reduce de 4 a 5 veces, el costo del gas en este caso es más bajo que el costo de la electricidad en cualquier otro tipo de molino con los mismos parámetros. Ambas opciones para reducir costos implican un fuerte cambio en las condiciones de temperatura. Es imposible moler sustancias de bajo punto de fusión y termolábiles en dichos molinos, y las tecnologías de ahorro de energía en sí mismas se centran en el procesamiento de materias primas minerales de bajo costo, donde el costo del equipo y la energía afectan especialmente. En otras industrias, los molinos de chorro compiten con los molinos vibratorios y de bolas en la obtención de partículas menores de 20-30 micrones. Cuando se obtienen polvos más finos, las ventajas de los molinos vibratorios y de bolas desaparecen y comienzan a aparecer sus desventajas. Con una disminución en el tamaño de las partículas obtenidas, el número de bolas aumenta considerablemente. A medida que disminuye el tamaño de las partículas extraídas del molino, la energía consumida por el molino por kilogramo de producto aumenta exponencialmente. La productividad del molino también cae exponencialmente, para un molino vibratorio y de bolas, esto significa un aumento en la proporción de productos de molienda de acuerdo con la misma ley exponencial. Al obtener partículas con un tamaño de 2 micras, el consumo energético real típico (instalación en su conjunto) puede alcanzar los 3-5 kWh/kg. En algunos casos, 10 kWh por kilogramo no es el límite. Por ejemplo, la producción de polvo de carburo de tungsteno requiere mucha energía, especialmente cuando se trata de moler monocristales grandes. Cambiar la tecnología de producción y pasar al problema de la desaglomeración y destrucción de cristales defectuosos puede generar una ganancia de 3 a 5 veces o más en términos de consumo de energía y productividad.
Hay varios tipos de molinos de chorro que no se utilizan mucho. Dichos molinos incluyen molinos de cámara anular, molinos de chorro a contracorriente, molinos de chorro de impacto. Los molinos de cámara anular tienen una cámara toroidal o ovalada vertical con las boquillas en la parte inferior. Durante el funcionamiento de dicho molino, el aerosol circula en círculo, pasando por el área donde se encuentran las boquillas. Los molinos son relativamente difíciles de configurar y controlar la dosificación. Los molinos de chorro a contracorriente aceleran el material con dos boquillas que trabajan una hacia la otra. El diseño de tales molinos involucra la molienda en el punto de encuentro de las corrientes de partículas. Dichos molinos pueden tener dispositivos para suministrar material a las boquillas. La eficiencia de este método de molienda se considera baja. Los molinos de chorro de impacto implican dirigir un chorro de aire con partículas contra un obstáculo, por ejemplo, un disco de aleación dura. Las altas tasas de flujo conducen a un desgaste intensivo del disco. Este tipo permite una molienda estable de materiales de baja dureza.