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Introducción de mezcla de polvo

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Resumen de la sección
1. Principios de mezcla
2. Mezcla por lotes versus mezcla continua
3. Mezcladores comunes
Licuadoras
Mezcladores de paleta
Mezcladores de vaso
Mezcladores de arado


Un proceso de mezcla es el núcleo de muchos procesos de sólidos a granel. La mezcla de polvo o sólidos permite obtener una mezcla homogénea de diferentes componentes y constituir uno de los pasos del proceso que agrega más valor. Sin embargo, no es fácil mezclar los ingredientes principales de manera homogénea con ingredientes menores y alcanzar una buena homogeneidad (medida en la práctica por un coeficiente de variación relativo a uno de los componentes utilizados como marcador). La siguiente página lo guiará a través de los principales equipos de mezcla industrial que existen, sus ventajas y desventajas, y también presentará la noción de mezcla continua y mezcla por lotes.



La página actual se centra en la mezcla en seco de sólidos.

1. Principios de mezcla

Número de Froude

La mezcla de polvos se basa en el movimiento de las partículas que forman parte de la receta que se va a mezclar. El movimiento puede ser de diferente tipo y diferentes diseños de mezcladores corresponderán a diferentes principios de mezcla.

Los mezcladores a menudo se clasifican gracias al número Froude. Este número adimensional definirá el régimen de mezcla según su valor.

El número de Froude se define en la ecuación 1 [Perry]:

Froude number for bulk powder blending

Ecuación 1: número de Froude

Con
R = radio del mezclador o radio del agitador del mezclador
ω = velocidad angular

Se puede expresar en una forma más conveniente para los mezcladores de polvo que tienen un elemento de mezcla en la ecuación 2:

Froude number for bulk powder blending

Ecuación 2: Cálculo del número de Froude para una licuadora equipada con una herramienta de mezcla (cinta, paletas ...)

Con
u = elemento de mezcla de velocidad de punta
D = diámetro del elemento mezclador

El número de Froude compara 2 fuerzas: Fr = (fuerzas distintas de la gravedad, principalmente centrífugas) / gravedad

Si Fr <1 significa que las fuerzas de gravedad serán más fuertes que las fuerzas centrífugas, el polvo permanecerá asentado en el mezclador, movido, pero no en una nube
Si Fr> 1 significa que las fuerzas centrífugas tenderán a ser más fuertes que la fuerza de gravedad: el polvo tenderá a suspenderse en el aire en el mezclador.

Entre los mezcladores comunes utilizados industrialmente para la mezcla de polvo, la siguiente tabla propone una clasificación según el número de Froude

Tabla 1: Mezclador clasificado según su número de Froude y principio de mezcla

Fr Mixing class Mixer type Pros Cons
< 1 Difusión Tipo mezcladores de caída libre
Licuadoras V
Mezcladores de doble cono
Batidoras de basura
Mezcladores de tambores
Muy simple
Baja energía requerida
Mezcla suave
Sin elementos de mezcla en el equipo.
Confiabilidad
Acceso para limpieza
Mezcla larga
No se puede lograr una buena mezcla para polvos de muy diferentes tamaños de partículas.
Se pueden experimentar efectos de segregación
< 1 Convección Mezclador de empuje tipo
Licuadoras
Mezcladores de tornillo
En general, se obtienen mejores resultados de mezcla que los mezcladores de difusión.
Insumos de baja energía.
Generalmente menos costoso que los mezcladores de paleta o reja
Mezcla larga
Complejidad mecánica
Acceso para limpieza
Puede dañar el producto con un tiempo de mezcla prolongado
> 1 Convección Mezcladores de paleta
Mezcladoras neumáticas
Short mixing time
Gentle mixing
Low energy input
Good access for cleaning (some design can be with extractible shafts
For paddle mixers, exist in continuous mixing execution
For padlle mixers, a liquid injection can be foreseen
Costo en comparación con tumbadores de difusión / mezcladores de cinta
Si inyección de líquido, con tendencia a la aglomeración - a continuación, necesita algunos elementos de mezclado adicionales en mayor cizallamiento
Para lecho fluido generada neumáticamente, se debe prestar atención a los riesgos de segregación debido a multas "flotante" en la parte superior de la mezclador
>> 1 Convección
Cizallamiento
Arado Share Mixers
Elementos de mezcla de alto cizallamiento
Tiempo de mezcla corto
Reduce los riesgos de aglomeración de polvo
Existe en la ejecución de mezcla continua
Mayor rotura de polvo.
Alta entrada de energía.
Costo

Se podría proponer otro tipo de clasificación dependiendo del tipo de proceso donde se integran los mezcladores: por lotes o continuo. Si el mezclador por lotes probablemente representa la mayoría de las aplicaciones industriales, algunos tipos de mezcladores (mezcladores de paletas) se pueden usar en modo continuo, lo que puede ser útil para algún tipo de procesos.

Tiempo de mezcla

Los siguientes elementos influirán en el tiempo de mezcla. Como regla general, los operadores de mezcladores buscan un tiempo de mezcla lo más corto posible para aumentar la productividad de su línea.

Tabla 2: parámetros que influyen en el tiempo de mezcla

Parámetro de funcionamiento Influencia en el tiempo de mezcla
Volumen de mezcla Un mayor volumen de mezcla provocará un aumento del tiempo de mezclado Pero duplicar el volumen, no significa duplicar el tiempo de mezcla para los mezcladores en Fr> 1, después de un cierto volumen, tiempo de mezclado será casi constante Nota: un mezclador no debe ser demasiado lleno de lo contrario, la mezcla puede llegar a ser imposible
Velocidad de mezcla Sin embargo, una velocidad de mezcla más alta generalmente proporciona un tiempo de mezcla más corto. Sin embargo, se debe considerar la influencia sobre el polvo (rotura del polvo
Número de Froude Un mayor número de Fr debería dar un tiempo de mezcla más corto La rotura del polvo será una preocupación cuando Fr >> 1
Tipo de sólidos Cuanto más diferentes sean los tamaños de partícula de los componentes de la mezcla, más difícil será mezclar

La influencia del número de Froude y el volumen del mezclador se representan en el siguiente gráfico:

Mixing time of solids blenders

Figura 1: Tiempo de mezcla = f (Fr, Volumen) [Gericke]

El tiempo de mezcla también depende de la secuencia y el lugar de llenado de los ingredientes. En particular, la posición de adición de micro ingredientes es de primordial importancia. En caso de que los micro ingredientes se agreguen al costado de un mezclador, el tiempo de mezclado puede verse muy afectado. Como buena práctica, los procesos deben diseñarse para que los ingredientes pequeños, menores y micro se introduzcan en el medio del mezclador, en cualquier caso en el área "activa" del mezclador (la zona de fluidización, por ejemplo).

2. Lote vs continuo

Diseñar un proceso de mezcla de sólidos por lotes o continuo es una pregunta que se formulará al comienzo del proyecto, ya que los procesos requerirán equipos de proceso muy diferentes.

El principio de funcionamiento es radicalmente diferente. Para el lote, habrá una secuencia discontinua de preparación, con la dosificación de los ingredientes, luego la carga al mezclador, luego el mezclado y luego la descarga del mezclador. Esta secuencia se repetirá cada vez que se realice una mezcla. Para un proceso continuo, todo sucede al mismo tiempo y con equipos que difieren del lote en el sentido de que pueden dosificar en continuo los ingredientes al mezclador. El mezclador también puede mover los ingredientes y mezclarlos al mismo tiempo, lo que le permite funcionar continuamente.

La siguiente cuadrícula resume lo que implica cada tipo de proceso con respecto a los parámetros clave de diseño

Tabla 5: comparación del proceso de mezcla por lotes y continuo

Variable de proceso Continuo Lote
Capacidad De 10 kg / ha muy grande De muy pequeño a grande
Tamaño del mezclador (con salida similar Menor Más grande
Riesgos de segregación Menor Mayor debido a los pasos que siguen a la operación de mezcla (caída repentina del material
Requisitos de espacio (con salida similar) Menor Más grande
Flexibilidad Inferior (mezclador continuo diseñado para pocos cambios de receta Mayor (la instalación de mezcla puede comenzar / detenerse bajo demanda
Complejidad de recetas Baja (número limitado de ingredientes Más alto (el proceso puede acomodar más ingredientes
Automatización Complejo para el control de la pérdida de alimentadores de peso Generalmente simple
Se requiere competencia del personal Alto debido a los sistemas de dosificación. Inferior
Espacio requerido Comparativamente bajo Comparativamente grande

Los procesos de mezcla continua deben suministrarse continuamente en polvo mediante sistemas de dosificación especiales. Estos sistemas de dosificación están hechos de alimentadores de pérdida de peso. Los alimentadores pueden usar las siguientes unidades de alimentación: transportadores de tornillo, bandejas vibratorias o cintas de pesaje. Cada alimentador está en celdas de carga y debe estar equipado con un sistema de control muy desarrollado que permita medir la pérdida de peso con el tiempo, filtrar perturbaciones y ajustar la velocidad del alimentador para mantener un punto de ajuste determinado en kg / h.

Para un mezclador continuo, la precisión del alimentador influye mucho en la homogeneidad. Un mezclador continuo debe ser capaz de proporcionar una mezcla radial pero también axial. En principio, se lograrán mejores resultados en el flujo del tapón, con una dispersión axial mínima. Sin embargo, si el alimentador continuo no es estable, se observará falta de homogeneidad en la salida del mezclador continuo. En la práctica, se requiere una dispersión axial para hacer frente a las imprecisiones del alimentador.

La baja precisión del alimentador significará que: se requiere dispersión axial, por lo tanto se requiere un mayor volumen de mezcla, por lo que se requiere un mayor tiempo de mezcla.

3. Mezcladores comunes

Los siguientes mezcladores comunes se presentarán a continuación.

Licuadora de la cinta
Mezclador de paletas
Mezclador de vaso

Licuadora de la cinta

Principio de mezcla

Ribbon blender

(dibujo de US Machinery bajo licencia Creative Commons)

Figura 2: licuadora de cinta

Caracteristicas claves

Tabla 3: características del proceso de licuadora de cinta

Herramienta de mezcla Cinta
Régimen de Froude menos que 1
Velocidades de mezcla típicas 50-70 rpm para mezcladores pequeños, 10-20 rpm para grandes volúmenes
tamaño Desde unos 100 la más de 10000 l
Tiempo de mezcla típico Más de 5 minutos
Impacto en el producto Puede ser grave si el tiempo de mezcla es prolongado a alta velocidad
Número de rodamientos 2 - herramienta de mezcla no en voladizo
La cubierta superior Atornillado, con junta
Salida 1 - generalmente redondo, algo de diseño higiénico
Limpieza Limitado, no es un buen acceso
Acceso Generalmente puertas en la parte superior
Nota: algunos diseños de licuadoras de cinta se hacen realmente con un eje extraíble. Esto promueve la capacidad de limpieza pero complica el diseño. La cinta es de todos modos difícil de limpiar.

Mezcladoras de paletas de doble eje

Principio de mezcla

Paddle Mixer

Caracteristicas claves

Tabla 4: características del proceso del mezclador de paletas

erramienta de mezcla Paletas
Régimen de Froude Más de 1
Velocidades de mezcla típicas 50 rpm para alrededor de 1000 l mezclador
tamaño De unos 100 la 5000 l
Tiempo de mezcla típico 1 a 2 minutos
Impacto en el producto La mezcla es bastante suave, se espera una baja degradación del polvo
Número de rodamientos 1 o 2: la herramienta de mezcla puede estar en voladizo
La cubierta superior Atornillado, con junta o soldado
Salida 1 o 2: diseño higiénico redondo posible, puertas de bomba posibles
Limpieza Bueno, algunos diseños permiten sacar los ejes
Acceso Puertas laterales, algunos de diseño con puerta frontal (en voladizo)

Mezclador de vaso

Principio de mezcla

Drum - bin blender

Caracteristicas claves

Tabla 5: características del proceso del mezclador de vaso

Herramienta de mezcla Contenedor: forma de V, doble cono, tambor, generalmente sin herramienta de mezcla
Régimen de Froude Menos que 1
Velocidades de mezcla típicas 25 rpm
tamaño De pocos l a 2000 l (cuando los recipientes se mezclan)
Tiempo de mezcla típico 5 a 15 minutos
Impacto en el producto La mezcla es bastante suave (si no se agrega agitador), se espera una baja degradación del polvo
Número de rodamientos El tambor es agitado por un brazo giratorio.
La cubierta superior Sujetado
Limpieza Bueno cuando el contenedor es pequeño, pobre si es más grande, para contenedores grandes se recomienda la dedicación del contenedor a un producto
Acceso El mezclador debe estar protegido por una jaula de seguridad.

Tipo de licuadora

Los contenedores pueden ser de tamaño muy variable. Los mezcladores más pequeños funcionarán con tambores de unos pocos litros a 200 litros. Esos tambores a menudo están hechos de acero inoxidable y pueden equiparse con deflectores en la cubierta superior. Esos deflectores promueven la mezcla y pueden resultar en una reducción en el tiempo de mezcla.
Los contenedores más grandes generalmente tendrán un fondo cónico. Esos contenedores pueden tener entre 500 y 2000 l de tamaño. Algunos diseños pueden equiparse con un agitador. La mezcla combinará el efecto del agitador con el clásico efecto de avalancha de la rotación del contenedor.

Sources
[Perry] : Perry's 8th Edition, Solids Mixing, 21-39
[Gericke] : adapted from Different Methodes of Batch and Continuous Mixing of Solids, Bulk Solids Handling, H.R. Gericke,1993