Principios y Procesos de Compresión en la Industria: Fluidos y Sólidos

Principios Fundamentales de Fluidos

Principio de Euler

Leonhard Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinámicas para los fluidos solo pueden expresarse en forma relativamente sencilla si el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se pueden despreciar los efectos de rozamiento y la viscosidad.

Principio de Bernoulli

El Principio de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Este principio expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) y en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanecerá constante a lo largo de su recorrido.

Principio de Reynolds

El Principio de Reynolds indica que el tipo de flujo adquirido por un fluido que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del fluido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del mismo.

Compresión: Conceptos y Aplicaciones

Definición de Compresión

La compresión se refiere a la disminución del volumen de una materia dada mientras es sometida a presión. Está relacionada con la compactación, que supone la reducción de una materia dada en un comprimido de una cierta fuerza o dureza. Se estudia mayormente midiendo la fuerza tensional y la dureza del material compactado. Estos procesos son utilizados en el campo farmacéutico, en la preparación de fórmulas farmacéuticas, cosméticos y alimentos. Se obtienen aglomerando por compresión un volumen constante de partículas.

Compresión en la Industria Farmacéutica

En la industria farmacéutica, la compresión se utiliza en la fabricación de comprimidos, granulados y pastillas.

Procesos y Principios de la Compresión de Sólidos

La compresión de sólidos se basa en los siguientes procesos y principios:

• Transferencia de masa, con el estudio de la teoría de los fenómenos de transporte de calor, masa y cantidad de movimiento.
• Método de cálculo de operaciones unitarias y selección de aparatos para absorción, intercambio iónico, extracción, cristalización, agitación y mezcla de materiales.
• Dimensionamiento y selección de sistemas de separación de componentes de las mezclas y las soluciones formadas.

Elementos Básicos de las Máquinas de Compresión

• Punzones (superior e inferior): Realizan la compresión del polvo siguiendo un movimiento vertical. La dureza del comprimido está determinada por el punzón superior.
• Matriz: Es la cámara de compresión, el espacio donde se efectúa el proceso. El volumen de la cámara está determinado por el recorrido del punzón inferior, que constituye el fondo de dicha cámara.
• Dispositivo de alimentación de polvo o tolva distribuidora: Tiene la función de llevar el polvo hasta la matriz siguiendo un desplazamiento en el eje horizontal de la máquina.

Características y Proceso de Compresión

Características Físicas de los Comprimidos

Las características físicas clave de los comprimidos incluyen: dureza, friabilidad, tiempo de desintegración y velocidad de disolución.

Proceso de Compresión

El proceso de compresión se lleva a cabo mediante los punzones de acero dentro de la cavidad de la matriz, ejerciendo presión sobre la granulación. El comprimido adquiere el tamaño y la forma de los punzones y de la matriz utilizada.

Principios Básicos de Compresión

Durante la compresión mecánica de los gases, la presión aumenta, el volumen se reduce y la temperatura se eleva. La relación entre estos factores se expresa como:

P x V = T

Donde:

• P: Presión
• V: Volumen
• T: Temperatura

Fases de la Compactación

1. Primera fase: Proceso de compactación de polvos, donde se reduce su volumen.
2. Segunda fase: Deformación elástica y comprensible.
3. Tercera fase: Deformación plástica o irreversible del lecho del polvo.

Durante este proceso, se evalúan tres parámetros importantes:

• La relación de la fuerza durante la compactación.
• El efecto del tiempo de contacto sobre la densidad del comprimido.
• La velocidad de aplicación de la compresión diametral sobre la deformación del comprimido.

Máquinas Utilizadas en la Compresión de Sólidos

• Alternativas o aleatorias: Realizan la compresión mediante la presión que ejercen los punzones sobre el polvo en cuatro tiempos:
  • Primer tiempo: Llenado de la cámara de compresión por el polvo.
  • Segundo tiempo: Enrasado del polvo mediante movimiento.
  • Tercer tiempo: El punzón superior baja y comprime el volumen del polvo.
  • Cuarto tiempo: Eyección del comprimido formado.
• Rotativas: Integran numerosos punzones y tienen un ritmo de producción superior, permitiendo la fabricación de millones de comprimidos en un día. El sistema de distribución de polvo es fijo.

Compresión de Materias en Estado Gaseoso y Líquido

La compresión de gases y líquidos implica la deformación continua de la sustancia bajo un esfuerzo constante. El método más corriente para comunicar energía en estos procesos es mediante un desplazamiento positivo o la acción de una centrífuga, suministrados por fuerzas exteriores.

Máquinas para la Compresión de Gases y Líquidos

• Bombas: Suministran energía para succionar líquidos de un tanque de almacenamiento.
  • Bombas alternativas: La cámara es un cilindro estacionario que contiene el émbolo.
  • Bombas rotatorias: Incluyen bombas centrífugas; la cámara se mueve desde la entrada hasta la descarga y regresa a la entrada.
• Ventiladores: Son centrífugos y funcionan de manera similar a las bombas centrífugas.
• Soplantes.
• Compresores: Comprimen grandes volúmenes de aire o gases de proceso hasta presiones de salida de 20 atm.
• Eyectores: El fluido a mover es arrastrado por una corriente de un segundo fluido que se mueve a gran velocidad.

Estos aparatos se clasifican según la mecánica de fluidos, atendiendo a si el flujo es comprensible o no.

Filtración: Proceso y Variables

Definición de Filtración

La filtración es una técnica de proceso tecnológico u operación unitaria de separación. Consiste en hacer pasar una mezcla de sólidos y fluidos a través de un medio poroso o medio filtrante, donde se retiene la mayor parte de los componentes sólidos de la mezcla.

Modos de Filtración

1. Filtración a Presión Constante: La variable principal a controlar es la caída de presión. La velocidad del flujo es máxima al comienzo de la filtración y disminuye continuamente hasta el final.
2. Filtración a Velocidad Constante: En este modo, la resistencia del filtro es grande comparada con la resistencia de la torta formada, que inicialmente es delgada. La resistencia ofrecida al flujo es prácticamente constante, por lo que la filtración ocurre a velocidad casi constante.
3. Filtración a Presión y Velocidad Constante.

Requisitos de los Flujos Utilizados en la Filtración

1. Facilidad para remover la fase sólida, dando un filtrado suficientemente claro.
2. No debe obstruirse.
3. Debe ofrecer la mínima resistencia en el flujo para la rápida formación de la torta.
4. Ser químicamente resistente, inerte y no tóxico.
5. Tener suficiente consistencia física.
6. Resistencia aceptable al desgaste mecánico.
7. Permitir la descarga limpia y completa de la torta formada.
8. Tener un costo mínimo en los gastos del proceso.

Aparatos Utilizados en la Filtración

• Filtro de presión (presión discontinua)
• Filtro espesador de presión (presión continua)
• Filtro rotatorio (vacío continuo)
• Filtro centrífugo
• Filtro de aire

Variables que Influyen en la Filtración

Las variables que influyen en la filtración incluyen: presión, viscosidad, temperatura, tamaño de la partícula, concentración y la torta de filtración formada.

Resistencia en la Filtración

1. Resistencia de los Canales: Se refiere a los canales que llevan la suspensión hasta la cara anterior de la torta y el filtrado desde que sale del medio filtrante.
2. Resistencia del Medio Filtrante: Es la resistencia total que se establece sobre el medio, incluyendo la de las partículas incrustadas. Es importante durante los primeros momentos de la filtración.
3. Resistencia de Torta: Es la resistencia que ofrecen los sólidos y no se debe al medio filtrante.

Comprensibilidad de la Torta

Este fenómeno ocurre debido a que la resistencia específica de la torta varía con la caída de presión producida a medida que se deposita en el fondo del filtro. La torta se va haciendo más densa a medida que la presión aumenta, disponiendo de menos pasadizos con un tamaño menor para el paso del flujo.

Tipos de Tortas

• Tortas muy Comprensibles: Se derivan de sustancias blandas y floculentas. La velocidad es independiente de la presión.
• Tortas Incomprensibles: Formadas por partículas sólidas rígidas e indeformables, donde la resistencia a la presión no varía con la profundidad de la torta.