La fluidez y características de manejo de sólidos y polvos a granel - una revisión con implicaciones para DDGS ☆

V. Ganesan  una , KA Rosentrater  b ,, ,  K. Muthukumarappan  un

 Mostrar másdoi: 10.1016 / j.biosystemseng.2008.09.008Obtener los derechos y contenidos

Mucha investigación respecto de manipulación y almacenamiento características

de sólidos a granel se ha realizado en los últimos años. Las propiedades físicas de

sólidos granulares juegan un papel significativo en su almacenamiento resultante y

comportamiento de flujo, y son por lo tanto esencial para diseñar el manejo de

sólidos adecuado, eficiente y económica a granel y equipos de almacenamiento y

estructuras.Granos secos de destilería con solubles (DDGS) es un material a

granel que ha sido ampliamente utilizado como una fuente de proteína para los

rumiantes y no rumiantes durante más de dos décadas. Los granos de destilería

son la energía y nutrientes, y se utilizan a menudo como un reemplazo para el

maíz en las dietas de animales. Con el crecimiento exponencial de la industria del

etanol combustible en los últimos años, ahora se están produciendo grandes

cantidades de granos de destilería. Para utilizar eficazmente estos alimentos en

los mercados nacionales e internacionales, sin embargo, estos flujos de co-

productos son cada vez transportados grandes distancias, y deben ser

almacenados hasta su uso final. Flujo de DDGS es problemático ya que a menudo

se restringe por el apelmazamiento y puente que se produce durante el transporte

y almacenamiento. Este problema resulta probablemente de una serie de factores,

incluyendo la humedad de almacenamiento, la temperatura, la humedad relativa,

tamaño de partícula, el tiempo, o las variaciones de temperatura, para nombrar

unos pocos. El objetivo de este estudio fue revisar los principales factores que

afectan a la fluidez, la manipulación y el almacenamiento de sólidos granulados y

polvos, así como metodologías de pruebas apropiadas para estos

materiales. Teniendo en cuenta estos será útil al examinar granulares fluidez y

almacenamiento desafíos para subproducto alimenta, incluyendo los que rodean el

uso de DDGS.

1. Introducción

El maíz es el principal cultivo en campo de los EE.UU.; medidas de producción de

maíz más de dos veces mayor que la de cualquier otro cultivo. En 2006, la

producción de maíz de Estados Unidos fue de 10,5 millones de bushels ( NCGA,

2007 ). Los dos productos más importantes de maíz fabricados son edulcorantes

de maíz (es decir, de alta fructosa de jarabe de maíz) y el combustible

etanol. Como las reservas de combustibles fósiles disminuyen y el aumento de los

precios, existe un creciente interés en la utilización de la biomasa y otras fuentes

de energía renovables, incluidos el etanol combustible. El etanol de maíz es un

aditivo importante de combustible, y muchas plantas de etanol se han construido

en la última década en las partes del medio oeste de Estados Unidos. La

producción de etanol a partir de los resultados de maíz en tres corrientes de co-

productos principales: Distillers Seco Granos (DWG), condensados solubles de

destilería (CDS), que también se conoce como "jarabe", y los productos de

destilería combinado granos secos con solubles (DDGS) ( que es el más

común). Estos se producen a partir de los residuos de maíz no fermentables que

permanecen después de que el almidón se ha convertido en etanol. DDGS ha sido

ampliamente utilizado como fuente de proteínas para rumiantes y no rumiantes

para varios años. DDGS generalmente contiene alrededor de 86 a 93% (db) de

materia seca, 26-34% (db) de proteína cruda, y 13.3% (db) de grasa ( Tjardes y

Wright, 2002  y  Rosentrater y Muthukumarappan, 2006 ). A medida que la

industria del etanol en Estados Unidos ha crecido de manera exponencial en los

últimos años, la oferta de DDGS también ha aumentado significativamente. Como

consecuencia de ello, es importante que siga aumentando el uso de granos de

destilería en el mercado. Para lograr esto, sin embargo, que tendrán que ser

transportados mayores distancias, y tendrán que ser almacenado en contenedores

y silos hasta su uso; a veces esto puede ser un tiempo relativamente largo,

dependiendo de la configuración de producción animal. El almacenamiento y el

transporte de DDGS a menudo puede ser problemático, ya que puede

endurecerse dentro de almacenamiento estructuras, camiones y vagones de

ferrocarril. Esto puede conducir a daños cuando se descargan los coches.

Además, la comercialización de los productos de destilería de grano puede verse

obstaculizada por inconsistencias en las propiedades físicas y nutricionales, tanto

dentro de una sola planta con el tiempo, así como entre las plantas. Propiedades

físicas y químicas son importantes, porque los DDGS de almacenamiento y flujo

comportamiento dependerá en gran medida de estos parámetros, así como las

variables ambientales. A veces, las pequeñas diferencias en las variables tales

como el contenido de humedad, tamaño de partícula, el tiempo de

almacenamiento, la temperatura y la humedad relativa pueden causar

apelmazamiento / puente de materiales granulares.Esto resulta en una gran

disparidad en la capacidad de flujo de DDGS. A la luz del crecimiento de la

industria, la fluidez de DDGS y su comportamiento bajo diversas condiciones de

flujo son importantes vis-à-vis el manejo de las operaciones (el almacenamiento

en silos o contenedores) y el transporte.

Como en la actualidad existe poca información disponible sobre el comportamiento

de manejo y flujo de DDGS, hay una necesidad crítica de estos datos. Esta

revisión describe varios factores que afectan a la capacidad de flujo y manejo de

sólidos granulares y polvos, así como métodos de ensayo apropiados. Por lo

tanto, será útil para el examen de DDGS, así como otros materiales de

alimentación de co-producto, y debe ser una base de recursos útil desde la cual

abordar y solucionar los problemas de fluidez DDGS.

2. Factores que influyen en la capacidad de flujo de sólidos granulares y polvos

La fluidez es la capacidad de sólidos granulares y polvos a fluir. El

comportamiento de flujo es multidimensional en la naturaleza, y depende de

muchas características físicas.Fluidez, de hecho, es una consecuencia de la

combinación de propiedades físicas de un material que influyen en el flujo de

material, las condiciones ambientales, y el equipo utilizado para la manipulación,

almacenamiento y tratamiento de estos materiales (Prescott y Barnum,

2000 ). Debido a esto, hay una sola prueba puede cuantificar plenamente fluidez

de un producto. Algunos de los factores que afectan a la capacidad de flujo de

sólidos a granel y polvos incluyen el contenido de humedad, la humedad, la

temperatura, la presión, la grasa, tamaño de partícula, y agentes de flujo.

2.1. Contenido de humedad

En medio de todos los factores que afectan el almacenamiento de un producto, la

humedad es un factor clave, ya que influye fuertemente en el crecimiento

microbiano.Por otra parte, la mayoría de los materiales granulares orgánicos son

higroscópicos en la naturaleza, y que ganan o pierden la humedad cuando se

exponen a diversas condiciones de humedad. Absorción de humedad es a

menudo junto con el aumento de la cohesión, principalmente a causa de la

formación de puentes de líquido entre las partículas. Por tanto, el contenido de

humedad afecta a la fuerza de cohesión y arqueando capacidad de los materiales

a granel ( Johanson, 1978 ). A medida que el contenido de humedad de un polvo

aumenta, la adherencia ( Craik y Miller, 1958 ) y la cohesión ( Moreyra y Peleg,

1981 ) tienden a aumentar. Incluso un pequeño cambio en el contenido de

humedad puede afectar sustancialmente las propiedades de fricción (por ejemplo,

el ángulo de fricción de la pared, el ángulo de rozamiento interno) de material

( Marinelli y Carson, 1992 ).

Las propiedades físicas de un material son también altamente dependiente del

contenido de humedad del material, y cada material se comportarán de forma

diferente.Por ejemplo, el ángulo de fricción interna de mineral de zinc se encontró

que era 32 ° y 56 ° a 18 y 23% de humedad contenido, respectivamente. Este

material adherido fuertemente a la papelera de acero durante la experimentación,

y habría causado un problema de fluidez grave ( Johanson, 1978 ). Duffy y Puri

(1994) estudiaron la capacidad de flujo de azúcar de confitería y un detergente en

dos contenidos de humedad. A medida que aumentaba el contenido de humedad,

el ángulo de rozamiento interno de tanto el azúcar y detergente

disminuyó. También el límite elástico no confinada de azúcar aumentó siete veces

ya que la humedad se incrementó en un 3%.También se ha encontrado que con

un aumento en la humedad, densidad aparente de sólidos granulares

generalmente disminuye y aumenta la compresibilidad ( Moreyra y Peleg,

1981  y  Yan y Barobosa-Cánovas, 1997 ). Además, la humedad en niveles altos,

posiblemente, puede alterar las propiedades superficiales de las partículas hasta

tal punto que el patrón de adherencia puede ser modificado ( Hollenbach et al. ,

1983 ).

Ganesan et al. (2008c) llevó a cabo uno de los primeros estudios para caracterizar

las propiedades de flujo de los DDGS, y encontró que los DDGS fluidez disminuyó

con el aumento del contenido de humedad. Por ejemplo, al 10% de sólidos

solubles, ángulo de reposo aumentó de 43,47 ° (al 10% de contenido de humedad)

a 44,13 ° (al 30% de contenido de humedad); a 20% de sólidos solubles, sin

embargo, ángulo de reposo aumentó de 42,57 ° (al 10% de contenido de

humedad) a 44,77 ° (al 30% de contenido de humedad). Al 10% de sólidos

solubles, la compresibilidad de los DDGS aumentó desde 2,30 hasta 5,77%,

mientras que al 20% de sólidos solubles se incrementó desde 1,90 hasta 6,63%,

con contenidos de humedad de 10 y 30%, respectivamente.

2.2. Humedad

Humedad relativa del aire (intersticial, así como espacio de cabeza) en un

recipiente de almacenamiento, tal como un depósito o silo, también afecta a

propiedades de los materiales a granel. Muchos materiales a granel son

higroscópicos y por lo tanto la exposición a condiciones húmedas resultados en el

aumento del contenido de humedad de la masa. Esto puede conducir a un

aumento de la fuerza mayor ( Marinelli y Carson, 1992 ), y también a un aumento

en el ángulo de reposo. La fluidez de cualquier material reduce con un aumento en

el ángulo de reposo de dicho material. Muchos investigadores han observado que

las humedades más altas tuvieron efectos significativos sobre la fluidez y la

cohesión de polvos granulados ( Craik y Miller, 1958 ,Irani et al., 1959 , Peleg y

Mannheim, 1973 , Johanson, 1978 , Stanford y la Corte, 2002 y  Fitzpatrick et al.,

2004b ).

Cámaras de humedad controlada se emplean en muchos laboratorios para el

estudio de las propiedades físicas y la estabilidad de los alimentos y los

piensos. Soluciones de ácido sulfúrico, de glicerol, o de sal saturada a menudo se

utilizan para controlar la humedad ( Rockland, 1960 ). Soluciones salinas

saturadas son más útiles, como los sistemas trifásicos (vapor-líquido-sólido) son

independientes de los cambios en su contenido total de humedad. Un número de

soluciones salinas adecuadas para el mantenimiento de una amplia gama de

condiciones de humedad relativa específicas a diversas temperaturas están

disponibles ( Spencer, 1926  y  Hodgman, 1954-1955 ).ASTM método estándar E-

104 también proporciona información sobre el mantenimiento de la humedad

relativa constante por medio de soluciones acuosas ( ASTM, 2002b ).

2.3. Temperatura

La temperatura también tiene un efecto sustancial en la capacidad de flujo sólido a

granel. El efecto de la temperatura más drástica es la congelación de la humedad

contenida dentro de los materiales granulares y en superficies de las

partículas. Los bonos de hielo resultantes debilitan el flujo ( Irani et al.,

1959 , Johanson, 1978  y Fitzpatrick et al., 2004b ). La variación de la temperatura

de almacenamiento desde arriba de congelación a 30 o 40 ° C no suele tener un

gran impacto en la fluidez del polvo, si no hay fusión de los componentes o ningún

componente sobrepasa su temperatura de transición vítrea ( Teunou y Fitzpatrick,

1999 ). Pero apelmazamiento severa puede ocurrir cada vez que un material

granular sufre un cambio en la cristalinidad u otras propiedades debido a

variaciones de temperatura ( Johanson, 1978 ). Las temperaturas tanto del

material de la pared y el material a granel pueden afectar el ángulo de fricción de

la pared ( Marinelli y Carson, 1992 ). Por ejemplo, Fitzpatrick et

al. (2004b)investigaron el efecto de la temperatura sobre las propiedades de flujo

de leche desnatada en polvo (SMP), leche entera en polvo (WMP), y alto

contenido de grasa de leche en polvo (HFP); los autores observaron que HFP

mostró más alta fricción de la pared a temperaturas más bajas, mientras que SMP

y WMP tenían fricción de la pared superior a temperaturas más altas.

Ganesan et al., 2007a  y  Ganesan et al., 2008a estudió tanto las características

dinámicas y de equilibrio de adsorción de agua de DDGS a las cuatro de la

temperatura (10, 20, 30, y 40 ° C) y cuatro de humedad relativa (60, 70, 80, y 90%)

los niveles y modelos matemáticos comunes que se utilizan para ajustar los datos

de adsorción y de equilibrio. Los autores observaron que los DDGS presentaron

características similares a una isoterma de tipo III, que a menudo se produce en

los alimentos altos de azúcar; esto puede ser una indicación de una de las

razones para los problemas de flujo de DDGS.Los autores no, sin embargo,

examinar el efecto de sorción de humedad en resultante propiedades de flujo de la

DDGS.

2.4. Presión

Compactación presión es también un factor importante que afecta a las

propiedades de flujo de sólidos a granel (como DDGS). El grueso puede ser

sometido a compactación debido a la vibración (por ejemplo, durante el

transporte), el impacto de una corriente descendente de sólidos (por ejemplo,

durante el llenado del silo), o la carga externa. El efecto de aumento de la presión

en la fluidez de los polvos es doble: (1) que conduce a un mayor número de

puntos de contacto entre las partículas, causando así más la adhesión entre

partículas ( Irani et al. , 1959 ;) y (2) el aumento de la compactación produce un

aumento significativo en las dimensiones críticas arqueadas. Efectos de

sobrepresión no son lineales y que varían significativamente con la muestra. El

aplastamiento de partículas debido a la sobrepresión se puede predecir a partir de

la forma de la densidad aparente frente a la compactación gráfico de presión

( Johanson, 1978 ).

2.5. Contenido gordo

Se espera que la grasa superficial libre para jugar un papel clave en la capacidad

de flujo granular también, pero no ha sido ampliamente investigado hasta la

fecha. Por ejemplo, un alto contenido de grasa (20%) de pulverización de leche de

soya seca llevó a empeorar el flujo de los polvos de leche de soja resultantes

( Pérez y Flores, 1997 ).Además, el contenido de grasa, que varía desde 13 hasta

74%, no tuvo gran impacto en la cohesión de un 26% de grasa de leche en polvo a

20 ° C ( Fitzpatrick et al. , 2004b ).Hay muchos informes disponibles sobre la

composición química de los DDGS, pero no hay un estudio sobre el contenido de

grasa superficial de DDGS y su efecto sobre las propiedades de flujo de DDGS. El

material granular y fluidez del polvo dependen de la composición de la superficie

como superficie libre de grasa juega un papel clave en la determinación de la

fluidez y la pegajosidad de un polvo.

2.6. Tamaño de partícula

El tamaño de partícula y distribución de tamaño de partícula, tanto juegan papeles

significativos en la capacidad de flujo y otras propiedades, tales como densidad

aparente, ángulo de reposo, y la compresibilidad de sólidos a granel. Incluso un

pequeño cambio en el tamaño de partícula puede causar alteraciones

significativas en la capacidad de flujo resultante. Reducción de tamaño de

partícula a menudo tiende a disminuir la capacidad de flujo de un material granular

dado debido a la mayor área superficial por unidad de masa ( Fitzpatrick et al.,

2004a  y  Fitzpatrick et al., 2004b ). Por ejemplo, Farley y Valentín (1967-

1968) investigaron la influencia de la distribución del tamaño de partícula sobre las

propiedades del polvo a granel; encontraron que el tamaño de partícula fue el

factor más importante que rige la "estructura" de la polvo compacto, y al mismo

tiempo, la fuerza entre partículas gobierna la fuerza de la "estructura".

El tamaño de partícula también juega un papel importante en la compresibilidad de

los polvos. Un aumento en el tamaño de partícula generalmente conduce a un

aumento de la compresibilidad (y por tanto reducción de volumen) ( Yan y

Barbosa-Cánovas, 1997 ).En un escenario de flujo de masa, si las partículas son

de menos de 1/4 pulgada de tamaño, a continuación, arqueo cohesiva se

producirá durante la descarga ( Marinelli y Carson, 1992 ). Cuanto más fino es el

tamaño de partícula y mayor es la gama de tamaños de partícula, mayor será la

fuerza de cohesión, y reducir la tasa de flujo (Marinelli y Carson,

1992 ). Reducción de tamaño aumenta el área de contacto entre las partículas,

aumentando así las fuerzas de cohesión.

2.7. Acondicionadores de flujo y antiaglomerantes

Apelmazamiento y pegajosidad son problemas comunes que casi todas las

industrias que se ocupan de sólidos granulares y polvos

encuentros. Apelmazamiento se define como cuando dos o más macropartículas,

cada uno capaz de independiente movimiento de traslación, el contacto y

interactúan para formar una congregan en el que las partículas son incapaces de

traducciones independientes ( Barbosa-Cánovas y Yan, 2003 ). Acondicionadores

de flujo y agentes antiaglomerantes se utilizan comúnmente como aditivos que

pueden ayudar a un polvo en el mantenimiento de un flujo constante y / o

aumentar su velocidad de flujo. Acondicionadores de flujo se hacen generalmente

a partir de sustancias químicamente inertes y son a menudo eficaz en

concentraciones de hasta 2%. La mayoría son insolubles en agua, pero muchos

de ellos pueden adsorber cantidades significativas de humedad como resultado de

sus áreas de superficie muy grandes.

Muchos estudios de investigación han examinado el efecto de los

acondicionadores de flujo en las propiedades de flujo de sólidos granulares y

polvos en las últimas décadas (Craik, 1958 , Craik y Miller, 1958 , Irani y Callis,

1960 , Sjollema, 1963 , Peleg y Mannheim, 1973 , Johanson, 1978 , Chen y Chou,

1993 , Onwulata et al., 1996 , Pérez y Flores, 1997  y  Jaya y Das, 2004 ). Para

ser eficaz, un agente de flujo debe ser más fina que el material a ser

acondicionado. El más fino es el tamaño de las partículas del aire, el menos grave

el apelmazamiento del material original debe ser ( Irani et al. , 1959 ).Además, las

partículas del aire debe pegarse a las partículas de polvo huésped, produciendo

de esta manera una superficie más suave y menos fricción rellenando los espacios

vacíos ( Peleg y Hollenbach, 1984 ). Propiedades de flujo de polvos condicionados

están fuertemente influenciadas por el tipo de interacción entre la superficie de

polvo de acogida y las partículas acondicionador ( Hollenbach et al. , 1983). Si no

hay atracción entre las partículas, a continuación, el acondicionador propias

partículas podría segregar y llenar los vacíos entre las partículas en lugar de

reducir la cohesividad ( Peleg, 1983 ). Por encima de una cierta tasa de inclusión,

sin embargo, el acondicionador puede realmente retardar el flujo global del

material ( Irani et al., 1959 ,Nash et al., 1965 , danés y Parrott, 1971  y  Hollenbach

et al., 1982 ). Si la afinidad a la superficie entre el polvo de acogida y

acondicionador es fuerte, entonces grandes efectos estará presente en la

densidad aparente y la compresibilidad de inclusión a concentraciones entre 0,1 y

0,5%. Cuando hay poca afinidad, los efectos se hacen evidentes sólo a

concentraciones más altas, tales como 1-2% ( Hollenbach et al. , 1983 ).

Hay poca información disponible sobre el uso de diferentes agentes de flujo con

DDGS.Ganesan et al. , 2008b examinó el uso de carbonato de calcio en los

niveles de inclusión de 0, 1, y 2%, y determinó los efectos sobre las propiedades

Carr. Ellos encontraron que sin ningún agente de flujo, a 10% de sólidos solubles,

ángulo de reposo aumentó de 44,77 ° (al 10% de contenido de humedad) a 45,17

° (al 30% de contenido de humedad);a 20% de sólidos solubles, sin embargo,

ángulo de reposo aumentó de 43,13 ° (al 10% de contenido de humedad) a 44,87

° (al 30% de contenido de humedad). Al 10% de sólidos solubles, la

compresibilidad de los DDGS aumentó desde 1,70 hasta 4,27%, mientras que al

20% de sólidos solubles se incrementó desde 1,33 hasta 4,50% en contenidos de

humedad de 10 y 30%, respectivamente. Por lo tanto, estos resultados fueron

similares a los de Ganesan et al. (2008c) . También encontraron que el efecto de

la adición de carbonato de calcio, incluso a 2%, no mejoró significativamente las

propiedades de flujo DDGS. Además, actualmente no existe literatura disponible

en mejorar el flujo de DDGS en entornos comerciales (es decir, plantas de etanol u

operaciones de alimentación del ganado). De este modo se garantiza una mayor

investigación.

3. propiedades relacionadas con la fluidez-

La manipulación, el almacenamiento y el flujo de materiales particulados son

importantes en las industrias asociadas con la agricultura, la alimentación,

química, cerámica, farmacéutica, metalúrgica, y otros sólidos a granel y

procesamiento de polvo.El flujo se define como el movimiento relativo de una

mayor parte de las partículas entre partículas vecinas, o a lo largo de la superficie

de la pared de un recipiente ( Peleg, 1977). Características de flujo son de

importancia vital en el manejo de materiales a granel y procesamiento, ya que

afectan el transporte, mezcla, y opciones de almacenamiento.DDGS aglomera a

menudo juntos y forma tortas cuando se almacena durante mucho tiempo. Estos

cúmulos son a veces muy difícil de romper ya menudo conducen a daños en

estructuras de almacenamiento y pérdidas económicas (debido al uso de mazos y

mano de obra - el tiempo y salarios). Para asegurar un flujo constante y fiable, es

crucial para caracterizar con precisión el comportamiento del flujo de estos

materiales granulares ( Kamath et al. , 1994 ).

Barbosa-Cánovas y Yan (2003) permite un material granular fluya a través de un

laboratorio bin / embudo cónico y se evaluaron su capacidad de flujo basado en la

tasa de flujo de masa. El caudal másico V m se denota como

ecuación( 1 )

Vm = αρb (D-φd)Gire MathJaxen 

donde ρ b es la densidad aparente (g cm -3 ); D es el diámetro del orificio (cm); d es

el diámetro medio de las partículas constituyentes (cm); α y φ son coeficientes

empíricos (-). Este enfoque debería funcionar para una variedad de

materiales. Capacidad de flujo del material también puede cuantificarse a través

de varios parámetros adicionales, incluyendo ángulo de reposo, la densidad

aparente, el ángulo de fricción interna, la cohesión, adherencia, y compresibilidad.

3.1. Angulo de reposo

Ángulo de reposo se define como el ángulo entre la horizontal y la pendiente de un

montón de material granular disminuido de alguna elevación designada. Ángulo de

reposo corresponde cualitativamente a las propiedades de flujo de ese material, y

es una indicación directa del potencial de fluidez. Ángulo de reposo de un sólido a

granel se puede describir mediante la siguiente ecuación ( Fowler y Wyatt,

1960 , Mohsenin, 1986 y  Rao, 1992 ):

ecuación( 2 )

Gire MathJaxen 

donde Φ r es el ángulo de reposo (grados); n es el factor de forma basada en la

superficie específica (-); M es el contenido de humedad (db%); D av es el diámetro

medio de partículas (cm); s g es la gravedad específica (-) ; un , b , c , y d son

constantes empíricas.

Más a menudo, sin embargo, ángulo de reposo se determina experimentalmente

permitiendo una muestra fluya sobre una superficie plana, y luego medir el ángulo

con respecto a la horizontal. Hay mucha literatura disponible sobre el ángulo de

reposo de los materiales granulares (como alimentos, granos, polvos industriales,

polvos farmacéuticos, etc.) pero no en los DDGS. Típicamente, cuanto menor sea

el ángulo de reposo de un material seco, más fluible es el material,

y viceversa ( Carr, 1965a ).Ángulos más altos (es decir, 50-60 °) indican el material

con flujo difícil, mientras que un ángulo inferior, tal como 30-40 °, representa un

material con flujo relativamente fácil.Ángulo de reposo da un valor numérico

reproducible, por lo que ha sido adoptado como un método común para evaluar

las propiedades de flujo ( Craik y Miller, 1958 ). En general, la magnitud de ángulo

de reposo aumenta con el aumento de contenido de humedad.

3.2. Densidad aparente

La densidad aparente de los sólidos granulares y polvos es importante al

determinar el volumen de vehículos de transporte y los recipientes de

almacenamiento. Depende principalmente del tamaño de partícula, la humedad y

la composición química, sino también en las operaciones de manipulación y

procesamiento. Dicta la estabilidad de flujo y cargas en las paredes de basura

( Johanson, 1971-1972 ). La densidad aparente se define como la masa de las

partículas que ocupa una unidad de volumen de un recipiente.

Se han observado aumentos en la densidad aparente cuando se añaden

acondicionadores ( Peleg y Mannheim, 1973  y  Hollenbach et al., 1983 que se

traduce en la modificación de la densidad), a través de la reducción de las

interacciones entre las partículas. La densidad aparente de los polvos de

alimentos también se ha observado a disminuir con un aumento en el tamaño de

partícula, así como con un aumento de la humedad relativa de equilibrio ( Yan y

Barbosa-Cánovas, 1997 ).

Los valores de densidad aparente de DDGS se ha demostrado que variar desde

389 hasta 501 kg m -3 ( Rosentrater, 2006 ). A partir de ahora, sin embargo, hay

muy poco conocido acerca de la influencia de la densidad aparente de DDGS en

su flujo, o el efecto de las condiciones de almacenamiento en la densidad de masa

resultante.

La relación entre roscado (un número definido de grifos) y la densidad aparente

suelta se conoce como la relación de Hausner, y se utiliza a menudo como un

índice de fricción interna en los polvos cohesivos ( Guo et al., 1985  y  Malave et

al., 1985 ) .

Porosidad, que está relacionada con la densidad aparente, puede ser expresado

como el porcentaje de huecos en una sólida a granel:

ecuación( 3 )

Gire MathJaxen 

donde P es la porosidad (%); V es el volumen mayor parte de la masa

(cm 3 ); y V p es el volumen de partícula de la masa (cm 3 ). P se ve afectado por el

flujo del material granular. A medida que disminuye la porosidad, aumenta la

densidad aparente (Sjollema, 1963 ).

3.3. Las fuerzas de fricción

El ángulo de fricción interna es una medida de la fuerza requerida para hacer que

las partículas se muevan o se deslizan el uno del otro. Laderas estables y

obsesiones en contenedores son altamente dependientes de ángulo de fricción

interna ( Johanson, 1971-1972 ). La fricción interna está influida por muchos

parámetros, incluyendo la fricción de las partículas de superficie, forma, dureza,

tamaño y distribución de tamaño.Se necesita ángulo de fricción interna de datos

para el cálculo de la presión lateral en las paredes de estanterías de

almacenamiento y para el diseño de los contenedores de flujo por gravedad y

tolvas ( Mohsenin, 1986  y  Rao, 1992 ). Shear pruebas se utiliza para medir el

ángulo de fricción interna ( Peleg y Mannheim, 1973 , Teunou et al.,

1999  y Fitzpatrick et al., 2004b ).

Fricción Wall es un parámetro clave en el diseño y operación de tolvas, silos y

tolvas de almacenamiento y de descarga. Se define como la resistencia de fricción

al flujo mayor que existe entre las partículas y material de la pared ( Iqbal y

Fitzpatrick, 2006 ). Fricción Wall es un fenómeno complejo influenciado por

muchos factores, como las características de la superficie de la pared, las

propiedades de sólidos a granel, y las condiciones de manipulación ( Prescott et

al. , 1999 ). Por otra parte, la superficie de la pared se ve afectada por el material

de la superficie, rugosidad de la superficie, desgaste de la superficie ( Bradley et

al. , 2000 ), y corrosión de la superficie. Savage (1967)llevaron a cabo un análisis

de flujo por gravedad de sólidos a granel no cohesivos en un canal convergente

verticales y observó que la fricción de la pared era más influyente que el ángulo de

fricción interna en la reducción de la tasa de flujo para pequeños valores de ángulo

de media pared de cono.

La cohesión es la propiedad de las partículas que se adhieren entre sí en una

masa.Fuerzas de cohesión pueden producirse a partir de una variedad de fuentes,

a saber, los puentes líquidos, fuerzas de Van der Waals, fuerzas electrostáticas y

fuerzas magnéticas. Las fuerzas entre las partículas de mayor prevalencia en

sistemas compuestos de partículas son la fuerza de puente líquido y el der Waals

fuerza de Van (Weber et al., 2004 ). Cohesión generalmente aumenta con una

disminución en el tamaño de partícula y con un aumento en la humedad

( Fitzpatrick et al. , 2004a ), en función del material. Un diagrama del lugar de

rendimiento de esfuerzo de corte fallacontra el estrés normal que un estrés

consolidar dada es a menudo equipado con la ecuación de Warren Spring ( Farley

y Valentín, desde 1967 hasta 1968 , Harwood, 1971, Peleg y Mannheim,

1973 , Rooda, 1975 , Peleg, 1977 , Moreyra y Peleg, 1981 ,Barbosa-Cánovas y

Yan, 2003  y  Fitzpatrick et al., 2004a ):

ecuación( 4 )

n (τ / C) = (σ + T) / TGire MathJaxen 

donde τ es la tensión de cizallamiento fracaso (kPa); C es la cohesión (kPa); n es

el índice de corte (sin dimensiones); T es la tensión de tracción (kPa); y σ es la

tensión normal (kPa). Un aumento de la cohesión a menudo puede ser causada

por la formación de puentes de líquido entre las partículas debido a la fusión de los

lípidos (Fitzpatrick et al., 2004b ). DDGS contiene relativamente alto contenido de

grasa (Tjardes y Wright, 2002  y  Rosentrater y Muthukumarappan, 2006 ) y a

temperaturas más altas, hay una posibilidad de fusión de la grasa para formar

puentes entre las partículas líquidas.

Durante la manipulación y almacenamiento de sólidos granulares, todas las

partículas de un intervalo de tamaño dado se pueden pegar juntos o paredes del

recipiente.Adhesión de las partículas puede ser causada por una serie de factores,

incluyendo las fuerzas de superficie y de campo (por ejemplo, van der Waals,

electrostáticas, y las fuerzas magnéticas), puentes de material entre las superficies

de partículas (por ejemplo, puentes, líquidos y sólidos, floculantes), y

enclavamiento físico de las propias partículas ( Tomas, 2007 ). Para medir la

adherencia de partículas tendencia, T una ,Pietsch (1969) desarrolló una relación

empírica:

ecuación( 5 )

Gire MathJaxen 

donde B i ( x ) son las fuerzas de unión (N), y F jy ( x ) son los componentes de las

fuerzas ambientales (N) que actúan sobre las partículas. El efecto relativo de

adherencia depende del tamaño de partícula; para causar la adhesión, T un debe

ser mayor que 1,0. Cuando la adhesión es significativo, el ángulo de reposo se

incrementa, y el flujo se reduce. La adhesión puede ser suprimida por la adición de

acondicionadores de flujo ( Craik y Miller, 1958 ). Tomas (2007) modelado

adhesión de las partículas solo utilizando partículas rígidas y ecuaciones

desarrollados para el comportamiento de contactos de partícula elástico-plástico

con la adhesión, la histéresis de carga-descarga, y fuerza de adhesión funciones.

3.4. Compresibilidad

Mucha atención se ha dado al comportamiento de sólidos a granel bajo tensión de

compresión. Típicamente, se utiliza un conjunto de celdas de compresión para

obtener la relación de presión-densidad para un material dado; el material de

ensayo se comprime usando una máquina de ensayo de compresión, y los datos

de fuerza-deformación debe entonces ser convertida en una relación presión-

densidad (Hollenbach et al., 1983 , Barbosa-Cánovas et al., 1987  y  Barbosa-

Cánovas y Yan, 2003). Varios autores han sugerido ecuaciones empíricas para

describir estas relaciones.Tres modelos comúnmente utilizados son: Heckel,

Kawakita y Ludde y Sone ( Malavé et al., 1985  y  Barbosa-Cánovas y Yan, 2003 ).

Hay otras maneras de examinar compresibilidad, sin embargo. Relación de

Hausner, la relación entre la densidad aparente compactada y suelto, también se

utiliza para cuantificar la compresibilidad de sólidos a granel. La compresibilidad

de un material también puede ser calculado por la siguiente ecuación:

ecuación( 6 )

C = 100 (P-A) / PGire MathJaxen 

donde C es la compresibilidad (%), P está lleno de densidad aparente (kg cm -

3 ); A se airea densidad aparente (kg cm -3 ). Cuanto mayor sea la capacidad de

compresión de un graneles sólidos, menos fluida que es. En general, la frontera

entre el flujo libre y no libre flujo es de aproximadamente 20 a 21% de

compresibilidad ( Carr, 1965b ).Compresibilidad y densidad aparente están

relacionadas, y se han correlacionado con la siguiente ecuación empírica ( Peleg y

Mannheim, 1973 , Peleg, 1977 , Hollenbach et al., 1983  y  Malave et al., 1985 ):

ecuación( 7 )

Gire MathJaxen 

donde BD es la densidad aparente (kg cm -3 ); un BD se extrapola a 1 kg cm -

2 presión (kg cm -3 ); b es la pendiente de la línea recta (compresibilidad) (kg cm -

3 ); P es la presión aplicada (kg cm -2 ). Una disminución de la compresibilidad se

ha observado con un aumento en el tamaño de partícula ( Yan y Barbosa-

Cánovas, 1997 ). Se observó una disminución de la compresibilidad de diversos

polvos y sólidos granulares cuando se añadieron acondicionadores ( Peleg y

Mannheim, 1973  y  Hollenbach et al., 1983 ). Se espera DDGS para obtener la

humedad cuando se exponen a condiciones húmedas superior. Esto podría

aumentar la capacidad de compresión de DDGS y dar lugar a problemas de flujo.

4. Métodos de ensayo para medir las propiedades de flujo a granel

El conocimiento de las propiedades físicas y de flujo de sólidos a granel es

esencial para el diseño de sistemas de almacenamiento fiables y equipos para el

manejo de estos materiales. A partir de ahora, sin embargo, hay muy poca

información disponible sobre los métodos de ensayo para medir las propiedades

de flujo de los DDGS. Una revisión de los métodos de ensayo disponibles para

otros materiales a granel tanto, sería útil.Generalmente, los probadores de

cizallamiento se utilizan para medir la fuerza y propiedades de los sólidos a granel

(flujo Schwedes, 2002 ). Varios probadores comúnmente utilizados y sus principios

se discuten a continuación.

4.1. Celular cizalla Jenike

Jenike (1964) fue el primero en establecer los métodos fundamentales para la

determinación de las características de flujo de materiales a granel. Los

procedimientos delineados por Jenike se han convertido en un método estándar

D6128 ( ASTM, 2000 ).Para analizar el flujo de sólidos en contenedores y silos, y

para desarrollar un modelo de flujo y no-flujo, Jenike utiliza los principios de la

insuficiencia de plástico ( Fig. 3 ) con los criterios de rotura de Mohr-Coulomb

( Thomson, 1997 ). Idealmente, en los polvos de flujo libre, la resistencia al flujo es

debido al resultado de la fricción; pero en polvos cohesivos, las fuerzas entre las

partículas son realzadas por la compactación, lo que resulta en resistencia

mecánica en la mayor parte ( Peleg, 1983 ). Probador de células de corte directo

de Jenike ( Fig. 1  y  Fig. 2 ), y el procedimiento para el diseño de contenedores,

se han utilizado comúnmente en la investigación y en la práctica industrial para la

caracterización de una variedad de materiales granulares ( Ashton et al.,

1965 ,Schrämli, 1967 , York, 1975 , . Kamath et al, 1993 , Kamath et al.,

1994 , Duffy y Puri, 1994 , Duffy y Puri, 1999  y  Schwedes, 1996 ; y Fitzpatrick et

al. , 2004b ). La exactitud de los resultados depende de la material que está

siendo probado y el técnico de realizar los procedimientos, y con frecuencia tiene

problemas de reproducibilidad.

Fig. 1. 

Diagrama esquemático de los componentes celulares de cizalla de Jenike.

Opciones Figura

Fig. 2. 

Aparato de cizalla de Jenike.

Opciones Figura

Fig. 3. 

Típico Mohr fracaso círculo parcela utilizada para analizar los datos experimentales de

células cizalla Jenike.

Opciones Figura

Hasta la fecha, sólo un estudio ha perseguido cizalladura Jenike de

DDGS. Ganesan et al. (2007b) estudió el comportamiento del flujo de DDGS en

cuatro CDS (10, 15, 20, y 25% de sólidos solubles) y cinco de humedad (10, 15 ,

20 25, y 30%) los niveles, utilizando pruebas de cizallamiento Jenike. La fuerza no

confinado rendimiento varió 0,05 a 15,96 kPa, ángulo de fricción interna varió 12-

54 °, y el ángulo efectivo de fricción interna varió 25-58 °. Los autores encontraron

que la cohesividad y compresibilidad de DDGS aumentaron con un aumento en el

contenido de humedad y los niveles de sólidos solubles.

4.2. Índices Carr

El manejo de los materiales granulares es difícil sin el conocimiento de cómo

fluyen en silos y tolvas. Carr (1965a) describió una serie de procedimientos que

permitan la evaluación de las características de flujo de tales materiales; y estos

procedimientos se han convertido en la norma ASTM D6393 método estándar

( ASTM, 1999 ); que es ampliamente utilizado en las industrias de polvo y

farmacéuticos ( Kuchii y Tomita, 2002 y  Yang et al., 2005 ). Los procedimientos

descritos por Carr proporcionan un método realista y directo para la evaluación de

diferentes aspectos de la capacidad de flujo (Tabla 1 ) de cualquier material

granular. Un probador utilizado para evaluar las propiedades de flujo Carr se

muestra en la Fig. 4 . explicaciones más detalladas de los procedimientos de

ensayo Carr y propiedades de flujo resultantes se pueden encontrar en Ganesan

et al., 2008b  y  Ganesan et al., 2008c y ASTM D6393 ( ASTM, 1999 ).

Mesa 1.

Carr clasificación de materiales granulares fluidez por Carr índices (basado en la Carr,

1965b )

PropiedadValor del Índice

Grado de fluidez / inundabilidad Medidas

Índice de Flujo 90-100 Muy bueno Medidas de rotura del puente no se requiere

0-19 Muy mal Aparatos y técnicas especiales se requieren para romper los puentes / torta / aglomeraciones

Índice de Inundaciones

80-100 Muy alto Sello Rotary debe ser utilizado para prevenir el lavado

0-24 No lavar Sello de Rotary no es necesaria para evitar el lavado

Opciones de tabla

Fig. 4. 

Probador semi-automatizado para índices Carr.

Opciones Figura

4.3. Aparato de cizalla anular

El aparato de cizalla anular Schulze también es un dispositivo muy utilizado para

medir las propiedades de flujo, incluyendo el ángulo de fricción interna, la fricción

de la pared, y la densidad aparente ( Schulze, 1996  y  rock and Schwedes,

2005 ). Las explicaciones detalladas de los procedimientos de prueba de este

aparato de cizalla se pueden encontrar en Bromhead (1998) y el método ASTM

D6773 ( ASTM, 2002a ). A diferencia del aparato de cizalla de Jenike, este

probador requiere habilidades mínimas de operación y tiempo. Además, los

resultados con baja variabilidad se pueden obtener con este probador ( Schwedes

y Schulze, 1990 , Schulze, 1996  y  Schwedes, 2000 ). Este probador, sin

embargo, no funciona bien para los tamaños de partícula más grandes que los

polvos.

4.4. Célula triaxial

El equipo de laboratorio más ampliamente utilizado para la investigación de la

fuerza y la deformación comportamiento de los suelos a altas tensiones (es decir,>

100 kPa) es el aparato triaxial ( Schwedes y Schulze, 1990 ). Fue desarrollado por

primera vez por el obispo y Henkel (1962) . Para aplicaciones en problemas de

almacenamiento de polvo, este método resultó ser insuficiente ya que fue

diseñado para un rango relativamente alto estrés. A través de los años, sin

embargo, las células triaxiales se han rediseñado y se han utilizado con éxito para

investigar las propiedades de grano agrícolas ( Bock et al., 1991 ). Ellos también

se han utilizado con éxito para medir polvos en rangos de estrés bajas ( Meerman

y Knaapen, 1979  y  Kolymbas y Wu, 1990 ).

4.5. De células de corte directo

Este aparato ha sido utilizado para medir la resistencia a la cizalladura

consolidada de suelo en corte directo. Tsunakawa y Aoki (1982) utilizaron un

aparato de cizalla directa con la prensa de carga para medir las propiedades de

fracaso de los materiales granulares. Cuando se compara con el ensayo de

células de cizallamiento Jenike, la célula de corte directo tiene la ventaja de que el

locus rendimiento puede obtenerse a partir de un solo ensayo de corte como una

línea continua.

5. Modelización de flujo de sólidos a granel

Experimentos silo escala completa para determinar el flujo de material, y los

efectos resultantes sobre estructuras de la pared durante el flujo son caros y

difíciles de lograr.El trabajo inicial en el flujo de sólidos a granel por Jenike en la

década de 1960 se llevó a cabo utilizando métodos numéricos, que son

relativamente baratos y son susceptibles de extensos estudios paramétricos. Hoy

en día, las soluciones numéricas de ecuaciones diferenciales parciales de

tensiones y corrientes se hace a menudo utilizando el método de elementos finitos

(FEM) o el método de los elementos discretos (DEM). Muchos estudios han

modelado el flujo de sólidos granulares y polvos utilizando FEM y DEM en las

últimas décadas (véase, por ejemplo, Langston et al., 1996 , Lu et al.,

1997 , Gyenis et al., 1999 , Baxter et al ., 2000 , Prescott y Barnum, 2000 , Guines

et al., 2001 , Vidal et al., 2004  y  Zhang y Rosato, 2004 ). Tanto FEM y de marcos

alemanes son ampliamente utilizados para la simulación de flujo de material en

silos y tolvas, pero cada uno tiene sus propias limitaciones. La mayoría de los

modelos se han utilizado para describir el comportamiento de polvos

cohesivos. Los estudios sobre la mecánica de partículas, sin embargo, dan una

mejor comprensión física de las funciones matemáticas esenciales dentro de un

continuo de sólidos a granel. Tomas, 2001a , Tomas, 2001b , Tomas,

2004a  y  Tomas, 2004b examinó los fundamentos de la consolidación en polvo

cohesivo y propiedades de flujo utilizando tanto partículas y la mecánica de

medios continuos.Tykhoniuk et al. (2007) utilizaron modelos mecánicos continuos

junto con DEM relacionar la cohesión macroscópica y microscópica de fricción a la

adherencia y la fricción de contacto para finos de ultra polvos cohesivos, y

observaron que la cohesión macroscópica fue proporcional a la adhesión

microscópico.

Debido a que los DDGS fluidez es un problema multifactorial, un modelo integral

para predecir la capacidad de flujo de DDGS sería muy útil, ya que podría permitir

la predicción de cuándo se pueden producir problemas de flujo. Ganesan et

al. (2007c)desarrolló un modelo empírico mediante la combinación de los

resultados de Jenike y pruebas Carr, a continuación, utilizando el análisis

dimensional y el modelado de superficie de respuesta para predecir la capacidad

de flujo de DDGS. Este modelo era una superficie polinómica no lineal, y el ángulo

de fricación interno, ángulo efectivo de fricción interna, compresión, capacidad de

dispersión, y la relación de Hausner incorporado, y se ajusta a los datos bien

( R 2  = 0,93). Este modelo, sin embargo, requiere validación, y podría mejorarse

por tener en cuenta otros parámetros asociados con el almacenamiento y la

capacidad de flujo, incluidas las condiciones ambientales.

6. Implicaciones para DDGS

Hoy en día el crecimiento del mercado de DDGS está limitada por su

apelmazamiento / puente tendencia dentro de los vagones y camiones durante el

transporte, y para algunos contenedores y tolvas medida durante el

almacenamiento. Estos hechos hacen que los DDGS duro para descargar y

pueden conducir a graves daños a los contenedores de transporte y

almacenamiento. Problemas de fluidez de DDGS pueden surgir de un número de

interactuar simultáneamente física, flujo, y las propiedades químicas, las variables

ambientales (es decir, temperatura, humedad relativa), variables externas (es

decir, la vibración, la presión de compactación), y tiempo de almacenamiento, para

nombrar unos pocos. Hasta la fecha, sólo información limitada está disponible

para los DDGS. Los autores han investigado el comportamiento del flujo de DDGS

en diferentes contenidos de humedad, los niveles de CDS, y el flujo de niveles de

agente utilizando tanto Jenike y métodos de ensayo Carr ( Ganesan et al.,

2007b ,Ganesan et al., 2007c , Ganesan et al., 2008b  y  Ganesan et al., 2008c ),

y han observado que los aumentos en el contenido de humedad resultado en

aumentos en cohesividad y compresibilidad. De lo contrario, no hay otros estudios

que han examinado conocidos DDGS fluidez. Hay muchas cosas que deben ser

conocidas para comprender a fondo los DDGS fluidez. Estos incluyen la

naturaleza química de superficies de las partículas (por ejemplo, azúcares

amorfos, las grasas y las proteínas que recubren las partículas), la temperatura de

transición vítrea de los DDGS, desnaturalización de proteínas durante los

procesos de producción (porque DDGS tiene alto contenido en proteínas y altas

temperaturas de secado se utilizan normalmente al procesar DDGS), la

condensación capilar, y recristalización (que puede causar la unión en los

contactos entre las partículas) durante un período de tiempo.

7. Conclusiones

Durante los últimos años, muchas plantas de etanol de fabricación se han

establecido a lo largo de los estados del Medio Oeste de los Estados Unidos,

como el maíz es el cultivo cultivado importante en estas áreas. Los granos de

destilería secos (DDG) y DDGS han sido ampliamente utilizados para la

alimentación del ganado durante varios años, y actualmente están expandiéndose

hacia otros segmentos importantes de ganado, así, ya que son un reemplazo

económico y eficaz para el maíz, harina de soja, y el fosfato dicálcico

(especialmente en cerdos y aves de corral se alimenta). Hasta la fecha, la mayor

parte del trabajo de investigación sobre etanol coproductos se ha centrado en las

propiedades químicas y nutricionales de los granos de destilería, pero no en las

propiedades físicas o de flujo relacionados. Por otra parte, en la actualidad hay

muy poca información disponible para las operaciones de almacenamiento y

manipulación de estos productos.

Para mejorar el uso de estas materias primas para piensos co-productos, hay una

necesidad vital para entender su comportamiento de flujo, así como las

características de almacenamiento y manipulación. Esta discusión debe ser un

recurso esencial para la investigación futura dirigida a examinar y cuantificar las

propiedades de flujo de los DDGS, como el análisis de flujo de DDGS jugará una

parte importante hacia la solución de problemas de flujo relacionados con el

transporte y el almacenamiento. Remedios deben ser tanto económicos

modificaciones en el procesamiento de los DDGS actual, manipulación o

almacenamiento, o modificaciones de formulación de DDGS para asegurar el flujo

fiable y uniforme. Remedios exitosos, a su vez, reducir las limitaciones impuestas

por el apelmazamiento / puente tendencia de los DDGS. Además, esto puede

ayudar a optimizar la utilización de estos materiales, y así mejorar la economía del

proceso para los productores de etanol, alimentadores de granja, y en última

instancia la economía rural.

Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento a la Estación Agrícola Experimental

(AES), SDSU, y el USDA-ARS por apoyar esta investigación.

Referencias