Introducción a la mezcla de polvos
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| Resumen de la sección |
|---|
| 1. Principios de mezcla |
| 2. Mezcla por lote vs mezcla continua |
| 3. Mezcladores comunes Mezcladores de cinta Mezcladores de paletas Mezcladores de tambor Mezcladores de vertedera |
La presente página se centra en la mezcla en seco de sólidos. Es posible que desee obtener más información sobre otros tipos de mezcla con los siguientes enlaces: Mezcla sólido / líquido (lodo) o Mezcla líquido / líquido
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 a mezclar. El movimiento puede ser de diferentes tipos y diferentes diseños de mezcladores corresponderán a diferentes principios de mezcla.
Los mezcladores suelen clasificarse mediante el número de Froude. Este número adimensional definirá el régimen de mezcla en función de su valor.
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Top 5 Nuevos
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2. Velocidad de mezcla
3. Optimización del tiempo de ciclo del mezclador
4. Comparación mezcla por lote / continua
5. Ahorro de energía
El número de Froude se define en la ecuación 1 [Perry]:
Ecuación 1: Número de Froude
Donde
R = radio del mezclador o radio del agitador del mezclador
ω = velocidad angular
Puede expresarse en una forma más conveniente para mezcladores de polvos equipados con un elemento de mezcla en la ecuación 2:
Ecuación 2: Número de Froude cálculo para mezcladores equipados con una herramienta de mezcla (cinta, paletas...)
Donde
u = velocidad periférica del elemento de mezcla
D = diámetro del elemento de mezcla
El número de Froude compara 2 fuerzas: Fr = (fuerzas distintas a la gravedad - principalmente centrífugas) / gravedad
- Si Fr < 1 significa que las fuerzas gravitatorias serán más fuertes que las fuerzas centrífugas, el polvo permanecerá asentado en el mezclador, moviéndose, pero no en forma de 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 dentro del mezclador.
Entre los mezcladores comunes utilizados industrialmente para la mezcla de polvos, la tabla siguiente propone una clasificación según el número de Froude
Tabla 1: Mezcladores clasificados según su número de Froude y principio de mezcla
| Fr | Clase de mezcla | Tipo de mezclador | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|---|
| < 1 | Difusión | Tipo mezcladores de caída libre Mezcladores en V Mezcladores de Doble Cono Mezcladores de Tolva Mezcladores de Tambor |
Muy simple Baja energía requerida Mezcla suave Sin elementos de mezcla en el equipo Fiabilidad Acceso para limpieza |
Tiempo de mezcla prolongado No se puede lograr una buena mezcla para polvos con diferencias muy marcadas en el tamaño de partícula Segregación pueden presentarse efectos de |
| < 1 | Convección | Mezclador de tipo empuje Mezcladores de Cinta Helicoidales Mezcladores de Tornillo |
Logran generalmente mejores resultados de mezcla que los mezcladores por difusión Bajo consumo energético Generalmente menos costosos que los mezcladores de paletas o de rejas de arado |
Tiempo de mezcla prolongado Complejidad mecánica Acceso para limpieza Puede dañar el producto con tiempos de mezcla prolongados |
| > 1 | Convección | Mezcladores de Paletas Mezcladores neumáticos |
Tiempo de mezcla corto Mezcla suave Bajo consumo energético Buen acceso para limpieza (algunos diseños pueden incluir ejes extraíbles) Los mezcladores de paletas existen en ejecución de mezcla continua En mezcladores de paletas, puede preverse inyección de líquido |
Costo comparado con mezcladores de tambor/difusión o de cinta helicoidal Si hay inyección de líquido, propensos a agglomeración — entonces requieren elementos adicionales de mezcla con mayor cizallamiento Para lechos fluidizados generados neumáticamente, debe prestarse atención a los riesgos de segregación debido a que los finos "flotan" en la parte superior del mezclador |
| >> 1 | Convección Cizallamiento |
Rejas de Arado
Mezcladores Elementos de mezcla de alto cizallamiento |
Tiempo de mezcla corto Reducen riesgos de agglomeración de polvos, especialmente cuando están equipados con inyección de líquido Existen en ejecución de mezcla continua |
Mayor rotura de partículas Alto consumo energético Costo |
Otro tipo de clasificación podría proponerse según el tipo de proceso en el que se integran los mezcladores: **Lote** o **Continuo**. Aunque los mezcladores por **lote** probablemente representan la mayoría de las aplicaciones industriales, ciertos tipos de mezcladores (como los de paletas) pueden utilizarse en modo continuo, lo cual resulta útil para determinados 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 incrementar la productividad de su línea.
Tabla 2: parámetros que influyen en el tiempo de mezcla
| Parámetro operativo | Influencia en el tiempo de mezcla |
|---|---|
| Volumen de mezcla | Un mayor volumen de mezcla conllevará un mayor tiempo de mezcla Pero duplicar el volumen no significa duplicar el tiempo de mezcla Para mezcladores con Fr > 1, tras cierto volumen, el tiempo de mezcla será casi constante Nota: un mezclador no debe sobrecargarse, de lo contrario, la mezcla podría volverse imposible |
| Velocidad de mezcla | Una mayor velocidad de mezcla suele reducir el tiempo de mezcla Debe considerarse, sin embargo, la influencia sobre el polvo (rotura de partículas) |
| Número de Froude | Un mayor número de Fr debe reducir el tiempo de mezcla La rotura de partículas será un problema cuando Fr >> 1 |
| Tipo de sólidos | Cuanto más diferentes sean los tamaños de partícula de los componentes de la mezcla, más difícil será lograr una mezcla homogénea |
La influencia del número de Froude y el volumen del mezclador se representan en el siguiente gráfico:
Figura 1: Tiempo de mezcla = f(Fr, Volumen) [Gericke]
El tiempo de mezcla también depende de la secuencia y el lugar de carga de los ingredientes. En particular, la posición de adición de microingredientes es de suma importancia. Si los microingredientes se añaden por un lado del mezclador, el tiempo de mezcla puede verse gravemente afectado. Como buena práctica, los procesos deben diseñarse para introducir los ingredientes pequeños, menores y micro en el centro del mezclador, en cualquier caso, en la zona "activa" de la mezcladora (por ejemplo, la zona de fluidización).
2. Lote vs. Continuo
Diseñar un proceso de mezcla de sólidos por **lote** o **continuo** es una decisión que debe tomarse al inicio del proyecto, ya que ambos requieren equipos de proceso muy distintos.
El principio de operación es radicalmente diferente. En el caso de **lote**, habrá una secuencia discontinua: dosificación de ingredientes, carga en el mezclador, mezcla y descarga del mezclador. Esta secuencia se repetirá cada vez que deba realizarse una mezcla. En el proceso continuo, todo ocurre simultáneamente con equipos que difieren del modo por lotes, ya que son capaces de dosificar los ingredientes al mezclador de manera continua. El mezclador, a su vez, mueve y mezcla los ingredientes al mismo tiempo, permitiendo una operación continua.
La siguiente tabla resume las implicaciones de cada tipo de proceso en parámetros clave de diseño:
Tabla 5: comparación entre procesos de mezcla por **lote** y continuo
| Variable del proceso | Continuo | Lote |
|---|---|---|
| Capacidad | Desde 10 kg/h hasta muy grande | Desde muy pequeña hasta grande |
| Tamaño del mezclador (a producción similar) | Más pequeño | Más grande |
| Segregación riesgos | Menor | Mayor debido a las etapas posteriores a la mezcla (caída brusca del material) |
| Requisitos de espacio (a producción similar) | Menor | Mayor |
| Flexibilidad | Menor (mezclador continuo diseñado para pocos cambios de fórmula | Mayor (la instalación de mezcla puede iniciar/detener bajo demanda) |
| Complejidad de la receta | Menor (número limitado de ingredientes) | Mayor (el proceso puede acomodar más ingredientes) |
| Automatización | Compleja para el control de los Alimentadores por Pérdida de Peso | Generalmente simple |
| Competencia del personal requerida | Alta debido a los sistemas de dosificación | Menor |
| Espacio requerido | Comparativamente bajo | Comparativamente grande |
Los procesos de mezcla continua deben ser alimentados de manera continua en polvo mediante sistemas de dosificación especiales. Estos sistemas de dosificación están compuestos por alimentadores por pérdida de peso. Los alimentadores pueden utilizar las siguientes unidades de alimentación: transportadores de tornillo, bandejas vibratorias o cintas dosificadoras. Cada alimentador está montado sobre celdas de carga y debe estar equipado con un sistema de control muy desarrollado que permita medir la pérdida de peso a lo largo del tiempo, filtrar perturbaciones y ajustar la velocidad del alimentador para mantener un punto de consigna dado en kg/h.
En un mezclador continuo, la precisión del alimentador influye en gran medida en la homogeneidad. Un mezclador continuo debe ser capaz de proporcionar mezcla radial, pero también axial. En principio, se obtendrán mejores resultados en flujo pistón, con una dispersión axial mínima. Sin embargo, si el alimentador continuo no es estable, se observará inhomogeneidad a la salida del mezclador continuo. En la práctica, se requiere cierta dispersión axial para compensar las imprecisiones del alimentador.
Una baja precisión del alimentador implicará que: se requiera dispersión axial, por lo tanto, se necesitará un mayor volumen de mezcla, y en consecuencia, un mayor tiempo de mezcla.
3. Mezcladores comunes
A continuación se presentarán los siguientes mezcladores comunes
| Mezclador de cinta helicoidal |
| Mezclador de paletas |
| Mezclador de tambor giratorio |
Mezclador de cinta helicoidal
Principio de mezcla
Figura 2: Mezclador de cinta helicoidal
Características clave
Tabla 3: características del proceso del mezclador de cinta helicoidal
| Herramienta de mezcla | Cinta helicoidal |
| Número de Froude régimen | < 1 |
| Velocidades típicas de mezcla | ~50-70 rpm para mezcladores pequeños, ~10-20 rpm para grandes volúmenes |
| Tamaño | Desde unos cientos de litros hasta más de 10000 litros |
| Tiempo típico de mezcla | Más de 5 minutos |
| Impacto en el producto | Puede ser severo si el tiempo de mezcla es largo a alta velocidad |
| Número de cojinetes | 2 - herramienta de mezcla no en voladizo |
| Tapa superior | Atornillada, con junta |
| Salida | 1 - generalmente redonda, algunos diseños higiénicos |
| Limpieza | Limitada, acceso no óptimo |
| Acceso | Generalmente puertas en la parte superior |
Mezclador de paletas de doble eje
Principio de mezcla
Características clave
Tabla 4: características del proceso del mezclador de paletas
| Herramienta de mezcla | Paletas |
| Número de Froude régimen | > 1 |
| Velocidades típicas de mezcla | ~50 rpm para mezcladores de ~1000 litros |
| Tamaño | Desde unos cientos de litros hasta 5000 litros |
| Tiempo típico de mezcla | 1 a 2 minutos |
| Impacto en el producto | La mezcla es bastante suave, se espera baja degradación del polvo |
| Número de cojinetes | 1 o 2 - herramienta de mezcla puede estar en voladizo |
| Tapa superior | Atornillada, con junta o soldada |
| Salida | 1 o 2 - diseño higiénico redondo posible, puertas de descarga posibles |
| Limpieza | Buena, algunos diseños permiten extraer los ejes |
| Acceso | Puertas laterales, algunos diseños con puerta frontal (cuando está en voladizo) |
Mezclador de tambor giratorio
Principio de mezcla
Características clave
Tabla 5: características del proceso del mezclador de tambor giratorio
| Herramienta de mezcla | Recipiente - forma de V, doble cono, tambor - generalmente sin herramienta de mezcla |
| Número de Froude régimen | < 1 |
| Velocidades típicas de mezcla | 25 rpm |
| Tamaño | Desde unos pocos litros hasta 2000 litros (cuando se mezclan recipientes) |
| Tiempo típico de mezcla | 5 a 15 minutos |
| Impacto en el producto | La mezcla es bastante suave (si no se añade agitador), se espera baja degradación del polvo |
| Número de cojinetes | El tambor es agitado por un brazo rotativo |
| Tapa superior | Abrazado |
| Limpieza | Bueno cuando el contenedor es pequeño, deficiente si es más grande; para contenedores grandes se recomienda dedicar el contenedor a un solo producto |
| Acceso | El mezclador debe estar protegido por una jaula de seguridad |
Tipo de mezclador de contenedores
Los contenedores pueden ser de tamaños muy variables. Los mezcladores más pequeños funcionan con bidones desde unos pocos litros hasta 200 litros. Estos bidones suelen ser de acero inoxidable y pueden estar equipados con deflectores en la tapa superior. Dichos deflectores favorecen la mezcla y pueden reducir el tiempo de mezclado.
Los contenedores más grandes suelen tener un fondo cónico. Estos contenedores pueden tener capacidades de 500 a 2000 litros. Algunos diseños pueden estar equipados con un agitador, combinando así el efecto del agitador con el efecto clásico de "alud" generado por la rotación del contenedor.
Fuentes
[Perry] : Perry, 8ª Edición, Mezcla de Sólidos, 21-39
[Gericke] : adaptado de *Diferentes Métodos de Mezcla por Lote y Continua de Sólidos*, *Manejo de Sólidos a Granel*, H.R. Gericke, 1993