Mezcla (ingeniería de procesos)

En ingeniería de procesos industriales , la mezcla es una operación unitaria que implica la manipulación de un sistema físico heterogéneo con el fin de hacerlo más homogéneo . Ejemplos comunes incluyen el bombeo del agua en una piscina para homogeneizar su temperatura y la mezcla de la masa para panqueques para eliminar grumos (desaglomeración).

La mezcla se realiza para permitir la transferencia de calor o masa, o ambas, entre una o más corrientes, componentes o fases. Los procesos industriales modernos casi siempre implican algún tipo de mezcla. ^{[ 1 ]} Algunas clases de reactores químicos también son mezcladores.

Con el equipo adecuado, es posible mezclar un sólido, un líquido o un gas con otro sólido, líquido o gas. Un fermentador de biocombustibles puede requerir la mezcla de microorganismos, gases y un medio líquido para obtener un rendimiento óptimo; la nitración orgánica requiere la mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados (líquidos) con una fase orgánica hidrofóbica ; la producción de comprimidos farmacéuticos requiere la mezcla de polvos sólidos.

Lo opuesto a la mezcla es la segregación . Un ejemplo clásico de segregación es el efecto de la nuez de Brasil .

Las matemáticas de la mezcla son altamente abstractas y forman parte de la teoría ergódica , que a su vez forma parte de la teoría del caos .

El tipo de operación y el equipo utilizado durante la mezcla dependen del estado de los materiales que se mezclan (líquido, semisólido o sólido) y de la miscibilidad de los materiales que se procesan. En este contexto, el acto de mezclar puede ser sinónimo de procesos de agitación o amasado . ^{[ 1 ]}

La mezcla de líquidos es frecuente en la ingeniería de procesos. La naturaleza de los líquidos a mezclar determina el equipo utilizado. La mezcla monofásica suele requerir mezcladores de bajo cizallamiento y alto caudal para lograr la incorporación del líquido, mientras que la mezcla multifásica generalmente requiere el uso de mezcladores de alto cizallamiento y bajo caudal para crear gotas de un líquido en regímenes de flujo laminar , turbulento o transicional, según el número de Reynolds del flujo. La mezcla turbulenta o transicional se realiza frecuentemente con turbinas o impulsores ; la mezcla laminar se realiza con mezcladores de cinta helicoidal o de ancla. ^{[ 2 ]}

Las mezcladoras de sólidos son un tipo de mezcladora industrial que se utiliza normalmente para mezclar varios componentes secos hasta obtener una mezcla homogénea . A menudo se añaden pequeñas cantidades de líquido a la mezcla seca para modificar la formulación del producto. Los tiempos de mezclado con ingredientes secos suelen ser cortos (15-30 minutos), pero dependen en cierta medida de los diferentes porcentajes de cada componente y de la diferencia en sus densidades aparentes. Existen mezcladoras de cinta, de paletas, de tambor y verticales. Muchos productos, incluidos productos farmacéuticos , alimentos , productos químicos , fertilizantes , plásticos , pigmentos y cosméticos, se fabrican con estos diseños. La capacidad de las mezcladoras de sólidos varía desde modelos de laboratorio de medio pie cúbico hasta unidades de producción de 500 pies cúbicos. La mayoría de los fabricantes ofrecen una amplia variedad de combinaciones de potencia y velocidad, así como características opcionales como acabados sanitarios, construcción al vacío, válvulas especiales y aberturas de tapa.

La mezcla de polvos es una de las operaciones unitarias más antiguas en la industria de manipulación de sólidos. Durante décadas, la mezcla de polvos se ha utilizado únicamente para homogeneizar materiales a granel. Se han diseñado numerosas máquinas para procesar materiales con diversas propiedades de sólidos a granel. A partir de la experiencia práctica adquirida con estas máquinas, se ha desarrollado conocimiento de ingeniería para construir equipos fiables y predecir el escalado y el comportamiento de la mezcla. Actualmente, las mismas tecnologías de mezcla se utilizan para muchas más aplicaciones: mejorar la calidad del producto, recubrir partículas, fusionar materiales, humedecer, dispersar en líquidos, aglomerar, modificar las propiedades funcionales de los materiales, etc. Esta amplia gama de aplicaciones de los equipos de mezcla requiere un alto nivel de conocimiento, una dilatada experiencia y amplias instalaciones de ensayo para lograr la selección óptima de equipos y procesos.

La mezcla sólido-sólido puede realizarse en mezcladoras discontinuas, que es la forma más sencilla de mezcla, o en ciertos casos en mezcladoras secas continuas, más complejas pero que ofrecen ventajas interesantes en términos de segregación, capacidad y validación. ^{[ 3 ]} Un ejemplo de proceso de mezcla sólido-sólido es la molienda de arena de moldeo para fundición , donde se mezclan arena, arcilla bentonita , polvo fino de carbón y agua hasta obtener una masa plástica , moldeable y reutilizable. Esta se utiliza para moldear y verter metal fundido para obtener piezas de arena para fabricar componentes metálicos para automóviles, maquinaria, construcción u otras industrias. ^{[ 4 ]}

La mezcla líquido-sólido se realiza normalmente para suspender sólidos gruesos de flujo libre o para deshacer grumos de sólidos finos aglomerados. Un ejemplo del primer caso es la mezcla de azúcar granulada con agua; un ejemplo del segundo es la mezcla de harina o leche en polvo con agua. En el primer caso, las partículas pueden suspenderse (y separarse entre sí) mediante el movimiento global del fluido; en el segundo, el propio mezclador (o el campo de cizallamiento intenso cercano a él) debe desestabilizar los grumos y provocar su desintegración.

Un ejemplo de proceso de mezcla sólido-líquido en la industria es la mezcla de hormigón, donde el cemento, la arena, las piedras pequeñas o la grava y el agua se mezclan para formar una masa homogénea que se endurece por sí sola , utilizada en la industria de la construcción.

Suspensión sólida

La suspensión de sólidos en un líquido se realiza para mejorar la velocidad de transferencia de masa entre el sólido y el líquido. Algunos ejemplos incluyen disolver un reactivo sólido en un disolvente o suspender partículas de catalizador en un líquido para mejorar el flujo de reactivos y productos hacia y desde las partículas. La difusión turbulenta asociada aumenta la velocidad de transferencia de masa dentro del seno del fluido, y la convección del material lejos de las partículas disminuye el tamaño de la capa límite , donde se produce la mayor parte de la resistencia a la transferencia de masa. Se prefieren los impulsores de flujo axial para la suspensión de sólidos porque esta requiere momento en lugar de cizallamiento, aunque se pueden usar impulsores de flujo radial en un tanque con deflectores, que convierten parte del movimiento rotacional en movimiento vertical. Cuando el sólido es más denso que el líquido (y por lo tanto se acumula en el fondo del tanque), el impulsor gira para empujar el fluido hacia abajo; cuando el sólido es menos denso que el líquido (y por lo tanto flota en la superficie), el impulsor gira para empujar el fluido hacia arriba (aunque esto es relativamente raro). El equipo preferido para la suspensión de sólidos produce grandes caudales volumétricos, pero no necesariamente una alta cizalladura; normalmente se utilizan impulsores de turbina de alto número de caudal, como los hidrodinámicos. Varias turbinas montadas en el mismo eje pueden reducir el consumo de energía. ^{[ 6 ]}

El grado de homogeneidad de una suspensión sólido-líquido se puede describir mediante la RSD ( Desviación Estándar Relativa del campo de fracción de volumen sólido en el tanque de mezcla). Una suspensión perfecta tendría una RSD del 0%, pero en la práctica, una RSD inferior o igual al 20% puede ser suficiente para que la suspensión se considere homogénea, ^{[ 8 ]} aunque esto depende del caso. La RSD se puede obtener mediante mediciones experimentales o cálculos. Las mediciones se pueden realizar a escala real, pero esto generalmente no es práctico, por lo que es común realizar mediciones a pequeña escala y utilizar un criterio de "escalado" para extrapolar la RSD de pequeña a escala real. Los cálculos se pueden realizar utilizando un software de dinámica de fluidos computacional o mediante correlaciones basadas en desarrollos teóricos, mediciones experimentales y/o datos de dinámica de fluidos computacional. Los cálculos de dinámica de fluidos computacional son bastante precisos y pueden adaptarse a prácticamente cualquier diseño de tanque y agitador, pero requieren experiencia y un tiempo de cálculo prolongado. Las correlaciones son fáciles de usar, pero son menos precisas y no cubren todos los diseños posibles. La correlación más popular es la correlación de "velocidad de suspensión justa" publicada por Zwietering (1958). ^{[ 9 ]} Es una correlación fácil de usar, pero no está diseñada para suspensiones homogéneas. Solo proporciona una estimación aproximada de la velocidad de agitación para suspensiones de "mala" calidad (suspensiones parciales) donde ninguna partícula permanece en el fondo durante más de 1 o 2 segundos. Otra correlación equivalente es la de Mersmann (1998). ^{[ 10 ]} Para suspensiones de "buena" calidad, se pueden encontrar algunos ejemplos de correlaciones útiles en las publicaciones de Barresi (1987), ^{[ 11 ]} Magelli (1991), ^{[ 12 ]} Cekinski (2010) ^{[ 13 ]} o Macqueron (2017). ^{[ 7 ]} El aprendizaje automático también se puede utilizar para construir modelos mucho más precisos que las correlaciones "clásicas". ^{[ 7 ] [ 14 ]}

Los líquidos y los gases se mezclan habitualmente para permitir la transferencia de masa . Por ejemplo, en el caso de la desorción con aire , se utiliza gas para eliminar los volátiles de un líquido. Normalmente, se emplea una columna de relleno para este fin, donde el relleno actúa como un mezclador estático y la bomba de aire proporciona la fuerza impulsora. Cuando se utiliza un tanque con impulsor, el objetivo suele ser asegurar que las burbujas de gas permanezcan en contacto con el líquido el mayor tiempo posible. Esto es especialmente importante si el gas es caro, como el oxígeno puro , o si se difunde lentamente en el líquido. La mezcla en un tanque también resulta útil cuando se produce una reacción química (relativamente) lenta en la fase líquida, de modo que la diferencia de concentración en la fina capa cercana a la burbuja es similar a la del seno del líquido. Esto reduce la fuerza impulsora para la transferencia de masa. Si se produce una reacción química (relativamente) rápida en la fase líquida, a veces es ventajoso dispersar las burbujas de gas, pero no recircularlas, asegurando así un flujo pistón y una transferencia de masa más eficiente.

Las turbinas Rushton se han utilizado tradicionalmente para dispersar gases en líquidos, pero las opciones más recientes, como la turbina Smith y la turbina Bakker, se están volviendo más comunes. ^{[ 15 ]} Uno de los problemas es que, a medida que aumenta el flujo de gas, este se acumula cada vez más en las zonas de baja presión detrás de las palas del impulsor, lo que reduce la potencia consumida por el mezclador (y, por lo tanto, su eficacia). Los diseños más recientes, como el impulsor GDX, han eliminado casi por completo este problema.

La mezcla gas-sólido puede utilizarse para transportar polvos o partículas sólidas de un lugar a otro, o para mezclar reactivos gaseosos con partículas de catalizador sólido. En ambos casos, los remolinos turbulentos del gas deben proporcionar la fuerza suficiente para suspender las partículas sólidas, que de otro modo se hundirían por efecto de la gravedad . El tamaño y la forma de las partículas son factores importantes, ya que las partículas tienen diferentes coeficientes de arrastre y las partículas hechas de diferentes materiales tienen diferentes densidades . Una operación unitaria común que la industria de procesos utiliza para separar gases y sólidos es el ciclón , que ralentiza el gas y provoca la sedimentación de las partículas.

La mezcla multifásica se produce cuando sólidos, líquidos y gases se combinan en una sola etapa. Esto puede ocurrir como parte de un proceso químico catalítico, en el que los reactivos líquidos y gaseosos deben combinarse con un catalizador sólido (como en la hidrogenación ); o en la fermentación, donde los microorganismos sólidos y los gases que requieren deben estar bien distribuidos en un medio líquido. El tipo de mezclador utilizado depende de las propiedades de las fases. En algunos casos, la fuerza de mezcla la proporciona el propio gas al ascender a través del líquido, arrastrando líquido con la columna de burbujas. Esto atrae el líquido hacia arriba dentro de la columna y provoca que el líquido caiga fuera de ella. Si la viscosidad del líquido es demasiado alta para permitir esto (o si las partículas sólidas son demasiado pesadas), puede ser necesario un impulsor para mantener las partículas sólidas en suspensión.

Para la mezcla de líquidos, la nomenclatura está bastante estandarizada:

• El diámetro del impulsor, denominado "D", se mide en las mezcladoras industriales como el diámetro máximo barrido alrededor del eje de rotación.
• La velocidad de rotación, denominada "N", se suele medir en revoluciones por minuto (RPM) o revoluciones por segundo (RPS). Esta variable se refiere a la velocidad de rotación del impulsor, ya que este valor puede variar en diferentes puntos del sistema de transmisión.
• Diámetro del tanque, "T": El diámetro interior de un recipiente cilíndrico. La mayoría de los recipientes de mezcla que reciben mezcladores industriales son cilíndricos.
• La potencia, "P", es la energía que entra en un sistema, generalmente mediante un motor eléctrico o un motor neumático.
• Capacidad de bombeo del impulsor, "Q": El movimiento del fluido resultante de la rotación del impulsor.

Muchas de las ecuaciones utilizadas para determinar la salida de los mezcladores se derivan empíricamente o contienen constantes derivadas empíricamente. Dado que los mezcladores operan en régimen turbulento, muchas de las ecuaciones son aproximaciones que se consideran aceptables para la mayoría de los fines de ingeniería.

Cuando un impulsor mezclador gira en el fluido, genera una combinación de flujo y cizallamiento. El flujo generado por el impulsor se puede calcular con la siguiente ecuación:

${\displaystyle Q=Fl*N*D^{3}}$

Los números de caudal para impulsores se han publicado en el Manual de Mezcla Industrial patrocinado por el North American Mixing Forum. ^{[ 16 ]}

La potencia necesaria para hacer girar un impulsor se puede calcular utilizando las siguientes ecuaciones:

${\displaystyle P=P_{o}\rho N^{3}D^{5}}$(Régimen turbulento) ^{[ 17 ]}

${\displaystyle P=K_{p}\mu N^{2}D^{3}}$(Régimen laminar)

${\displaystyle P_{o}}$es el número de potencia (adimensional), que es una función de la geometría del impulsor;${\displaystyle \rho }$es la densidad del fluido;${\displaystyle N}$es la velocidad de rotación, normalmente rotaciones por segundo;${\displaystyle D}$es el diámetro del impulsor;${\displaystyle K_{p}}$es la constante de potencia laminar; y${\displaystyle \mu }$es la viscosidad del fluido. Cabe destacar que la potencia del mezclador depende en gran medida de la velocidad de rotación y del diámetro del impulsor, y linealmente de la densidad o la viscosidad del fluido, según el régimen de flujo presente. En el régimen de transición, el flujo cerca del impulsor es turbulento, por lo que se utiliza la ecuación de potencia turbulenta.

El tiempo necesario para mezclar un fluido hasta alcanzar una concentración final dentro del 5%,${\displaystyle {\theta _ {95}}}$, se puede calcular con las siguientes correlaciones:

${\displaystyle {\theta _{95}}={\frac {5.40}{P_{o}^{1 \over 3}N}}({\frac {T}{D}})^{2}}$(Régimen turbulento)

${\displaystyle {\theta _{95}}={\frac {34596}{P_{o}{1 \over 3}N^{2}D^{2}}}({\frac {\mu }{\rho }})({\frac {T}{D}})^{2}}$(Región de transición)

${\displaystyle {\theta _ {95}}={\frac {896*10^{3}K_{p}^{-1.69}}{N}}}$(Régimen laminar)

El límite de transición/turbulento se produce en${\displaystyle P_{o}^{1 \over 3}Re=6404}$

El límite laminar/transicional se produce en${\displaystyle P_{o}^{1 \over 3}Re=186}$

A escala de laboratorio, la mezcla se logra mediante agitadores magnéticos o simplemente agitando a mano. A veces, la mezcla en recipientes de laboratorio es más completa y ocurre más rápido que en la industria. Las barras de agitación magnéticas son mezcladores de flujo radial que inducen la rotación del cuerpo sólido en el fluido que se está mezclando. Esto es aceptable a pequeña escala, ya que los recipientes son pequeños y, por lo tanto, la mezcla ocurre rápidamente (tiempo de mezcla corto). Existen diversas configuraciones de barras de agitación, pero debido al pequeño tamaño y (típicamente) baja viscosidad del fluido, es posible utilizar una configuración para casi todas las tareas de mezcla. La barra de agitación cilíndrica se puede utilizar para la suspensión de sólidos, como se ve en la yodometría , la desaglomeración (útil para la preparación de medios de cultivo microbiológicos a partir de polvos) y la mezcla líquido-líquido. Otra peculiaridad de la mezcla de laboratorio es que el mezclador descansa en el fondo del recipiente en lugar de estar suspendido cerca del centro. Además, los recipientes utilizados para la mezcla de laboratorio suelen ser más variados que los utilizados para la mezcla industrial; Por ejemplo, además del vaso de precipitados cilíndrico, se pueden utilizar matraces Erlenmeyer o matraces Florencia .

Cuando se reduce a la microescala, la mezcla de fluidos se comporta de manera radicalmente diferente. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Esto suele ocurrir en tamaños desde un par (2 o 3) milímetros hasta el rango de nanómetros. En este rango de tamaño, la advección normal no ocurre a menos que sea forzada por un gradiente de presión hidráulica. La difusión es el mecanismo dominante mediante el cual dos fluidos diferentes se encuentran. La difusión es un proceso relativamente lento. Por lo tanto, varios investigadores tuvieron que idear formas de lograr que los dos fluidos se mezclaran. Esto implicó uniones en Y, uniones en T, intersecciones de tres vías y diseños donde se maximiza el área interfacial entre los dos fluidos. Además de simplemente interconectar los dos líquidos, también se crearon canales sinuosos para forzar la mezcla de los dos fluidos. Estos incluyeron dispositivos multicapa donde los fluidos giraban en espiral, dispositivos en bucle donde los fluidos fluían alrededor de obstrucciones y dispositivos ondulados donde el canal se estrechaba y se ensanchaba. Adicionalmente, se probaron canales con características en las paredes como muescas o ranuras.

Una forma de determinar si la mezcla se produce por advección o difusión es mediante el número de Peclet . Este representa la relación entre la advección y la difusión . Con números de Peclet elevados (>  1), predomina la advección. Con números de Peclet bajos (<  1), predomina la difusión.

A escala industrial, lograr una mezcla eficiente puede resultar difícil. Se requiere un gran esfuerzo de ingeniería para diseñar y mejorar los procesos de mezcla. La mezcla a escala industrial se realiza por lotes (mezcla dinámica), en línea o con la ayuda de mezcladores estáticos . Los mezcladores móviles funcionan con motores eléctricos que operan a velocidades estándar de 1800 o 1500 RPM, lo que suele ser mucho más rápido de lo necesario. Se utilizan reductores para disminuir la velocidad y aumentar el par. Algunas aplicaciones requieren el uso de mezcladores de ejes múltiples, en los que se utiliza una combinación de tipos de mezcladores para mezclar completamente el producto. ^{[ 20 ]}

Además de realizar operaciones típicas de mezcla por lotes, algunas mezclas pueden realizarse de forma continua. Utilizando una máquina como el Procesador Continuo, uno o más ingredientes secos y uno o más ingredientes líquidos pueden dosificarse con precisión y consistencia en la máquina y obtener una mezcla continua y homogénea por la salida de la misma. ^{[ 21 ]} Muchas industrias han adoptado la mezcla continua por diversas razones. Algunas de ellas son la facilidad de limpieza, el menor consumo de energía, el menor tamaño, la versatilidad, el control y muchas otras. Los mezcladores continuos, como el Procesador Continuo de doble tornillo, también tienen la capacidad de manejar viscosidades muy altas.

Turbinas

A continuación se muestra una selección de geometrías de turbinas y valores de potencia.

Se utilizan diferentes tipos de impulsores para diferentes tareas; por ejemplo, las turbinas Rushton son útiles para dispersar gases en líquidos, pero no son muy útiles para dispersar sólidos sedimentados en líquidos. Las turbinas más nuevas han reemplazado en gran medida a la turbina Rushton para la mezcla de gas y líquido, como la turbina Smith y la turbina Bakker. ^{[ 22 ]} El número de potencia es una medida empírica de la cantidad de par necesaria para accionar diferentes impulsores en el mismo fluido a potencia constante por unidad de volumen; los impulsores con números de potencia más altos requieren más par pero operan a menor velocidad que los impulsores con números de potencia más bajos, que operan con menor par pero a mayor velocidad.

Otro

• Mezclador de cinta

  Las mezcladoras de cinta son muy comunes en las industrias de procesos para realizar operaciones de mezcla en seco. La mezcla se lleva a cabo gracias a dos hélices (cintas) soldadas a los ejes. Ambas hélices mueven el producto en direcciones opuestas, logrando así la mezcla ^{[ 42 ]} (ver imagen de una mezcladora de cinta).

• Mezclador V
• Mezcladora continua de doble tornillo ^{[ 43 ]}
• Procesador continuo
• Mezcladora de tornillo cónico
• Batidora de tornillo
• Licuadora de doble cono
• Doble planetario
• Mezclador de alta viscosidad
• Contrarrotación
• Eje doble y triple
• Mezcladora al vacío
• Rotor-estator de alto cizallamiento
• Mezclador de impacto
• Mezcladores de dispersión
• Paleta
• Mezclador de chorro
• Mezcladoras móviles
• Mezcladoras de tambor
• Mezclador Intermix
• Mezclador horizontal
• Combinación de mezcla de frío y calor
• Mezcladora vertical
• Turbomezclador
• Mezclador de Banbury

  La mezcladora Banbury es una marca de mezcladora interna por lotes , nombrada en honor a su inventor, Fernley H. Banbury . La marca registrada "Banbury" pertenece a Farrel Corporation . Las mezcladoras internas por lotes, como la mezcladora Banbury, se utilizan para mezclar o componer caucho y plásticos. El diseño original data de 1916. ^{[ 44 ]} La mezcladora consta de dos palas giratorias en forma de espiral encerradas en segmentos de carcasas cilíndricas. Estas se cruzan formando una cresta entre las palas. Las palas pueden tener un núcleo para permitir la circulación de calor o frío. Su invención generó importantes ahorros de mano de obra y capital en la industria de los neumáticos, eliminando el paso inicial de molienda de caucho con rodillos. ^{[ 45 ]} También se utiliza para reforzar cargas en un sistema de resina.

• Paleta mezcladora

• Documento técnico sobre los criterios de selección de mezcladoras de sólidos

• Wiki sobre equipos para la mezcla de sólidos a granel y polvos
• Visualizaciones de la dinámica de fluidos en procesos de mezcla
• Un capítulo de un libro de texto sobre la mezcla en la industria alimentaria. Archivado el 3 de febrero de 2019 en Wayback Machine.
• Información sobre la mezcla de sólidos - powderprocess.net