Selección de un mezclador por lotes de baja cizalla

Las características de un material determinan qué tipo de mezclador será más eficiente para la mezcla por lotes. Este artículo cubre algunos fundamentos de la mezcla por lotes y examina las ventajas y limitaciones de varios mezcladores de baja cizalla.

Al seleccionar un mezclador por lotes para sólidos a granel, debe considerar todo su proceso. Su formulación, los requisitos de calidad, el tamaño del lote, el tiempo de reacción, las características del material y la forma en que el material se introduce y se descarga del mezclador determinarán qué tipo de mezclador le proporcionará el tiempo de mezcla y la homogeneidad requeridos.

Para determinar qué mezclador es adecuado para su aplicación, es importante evaluar si el material es de flujo libre o cohesivo. Como se muestra en la Figura 1, los mezcladores por lotes pueden clasificarse generalmente según la cantidad de cizalla que aplican al material durante la mezcla. Normalmente, cuanto más cohesivo sea el material, mayor será la cizalla requerida. Los mezcladores de baja y media cizalla son adecuados para materiales de flujo más libre, mientras que los mezcladores de media cizalla, alta cizalla, impacto y diseño de partículas son adecuados para materiales más cohesivos.

Fig. 1: Selección de un mezclador por lotes

La mezcla de baja cizalla es un proceso relativamente ordenado, lo que significa que el mezclador funciona a baja velocidad y las partículas del material se mueven de forma ordenada a través del mezclador. En la mezcla de cizalla media, el mezclador funciona a una velocidad algo mayor y las partículas se mueven de forma más aleatoria. La mezcla de alta cizalla utiliza mucha más energía, lo que provoca que las partículas se friccionen entre sí o contra la pared del mezclador. La mezcla por impacto dispersa las partículas en el aire y las somete a impactos mediante un rotor para romperlas y permitir su mezcla. La mezcla de diseño de partículas es una forma de mezcla de alta cizalla que utiliza aún más energía para materiales muy cohesivos.

La mezcla de baja cizalla es la opción ideal para materiales de flujo libre, frágiles y sensibles al calor. Este artículo se centra en la selección de un mezclador por lotes de baja cizalla para materiales de flujo libre. Antes de analizar los tipos de mezcladores de baja cizalla, es importante comprender algunas características de estos materiales.

Características de los materiales de flujo libre

Los materiales de flujo libre presentan baja fricción entre partículas y suelen tener un tamaño de partícula superior a 75 micras. También tienden a tener un bajo contenido de humedad, ya que la humedad puede hacer que las partículas se adhieran entre sí. Estos materiales suelen presentar partículas con una baja relación de aspecto (diferencia entre la longitud y el ancho de la partícula). Las partículas con una alta relación de aspecto tienden a entrelazarse y a oponerse al flujo entre sí, mientras que las partículas más redondeadas fluyen con mayor facilidad y son más fáciles de mezclar.

En general, las partículas con baja relación de aspecto también presentan un bajo ángulo de reposo. El ángulo de reposo es el ángulo que se forma cuando un material se acumula sobre una superficie plana. Cuanto más pronunciado es el montón, mayor es el ángulo de reposo y más cohesivo es el material. Los materiales cohesivos suelen ser más difíciles de mezclar que los materiales de flujo libre, ya que se necesita más energía para superar las fuerzas que mantienen unidas las partículas.

La mezcla de materiales de flujo libre presenta diferentes problemas, incluida la segregación. La segregación ocurre cuando las partículas de un material se separan de forma natural por tamaño u otra característica.

Fig. 2: Tipos de segregación

Segregación por vibración: si un lote contiene varios ingredientes en un recipiente sometido a vibración, las partículas más gruesas o ligeras migrarán hacia la parte superior.

Segregación por percolación: las partículas más finas se desplazan a través de los espacios entre las partículas más grandes hacia la parte inferior del lote, lo que da lugar a una mayor concentración de partículas gruesas en la parte superior.

Segregación durante el transporte: las partículas más gruesas tienen mayor movilidad en materiales en flujo. Cuando el material cae desde una salida y forma un montón, las partículas más grandes se desplazan hacia el perímetro. En transporte neumático, las partículas gruesas viajan más lejos que las finas, lo que puede provocar separaciones dentro del recipiente.

Modos de mezcla de baja cizalla

Una mezcla completamente homogénea debe obtenerse de manera que los ingredientes se distribuyan de forma aleatoria. El mezclador mueve los ingredientes entre sí hasta que las partículas de cada componente se distribuyen uniformemente en la mezcla. Existen dos formas de lograrlo: difusión y convección.

En un mezclador por difusión, las partículas de cada ingrediente se mezclan de forma aleatoria, asistidas por la gravedad. Un mezclador convectivo funciona de forma más dirigida, generando patrones de flujo que desplazan las partículas dentro del equipo.

En general, los mezcladores por difusión suelen ser menos costosos y más fáciles de mantener que los mezcladores convectivos, por lo que son la mejor opción si son adecuados para el material. Sin embargo, las mezclas con tendencia a la segregación o con grandes diferencias en tamaño de partícula o densidad aparente no pueden mezclarse eficazmente mediante difusión, ya que la homogeneidad puede verse limitada y puede producirse desmezcla en caso de sobremezcla.

Tipos de mezcladores de baja cizalla

Para la mezcla de baja cizalla de materiales de flujo libre, los tres tipos más comunes son el mezclador cónico de tornillo, el mezclador rotativo y el mezclador de cinta. Cada uno presenta ventajas y desventajas.

Mezclador cónico de tornillo

Un mezclador cónico de tornillo es un mezclador convectivo que dispone de un tornillo que gira y orbita dentro de una cámara de mezcla cónica estacionaria. El material se introduce en el mezclador hasta un nivel inferior al brazo orbital del tornillo, de modo que este pueda moverse libremente dentro del recipiente. El tornillo eleva el material y lo transporta alrededor del perímetro, garantizando una mezcla completa.

Ventajas:
Los mezcladores cónicos de tornillo pueden proporcionar una calidad de mezcla muy alta. Gracias a la forma cónica del recipiente, la descarga es sencilla: al abrir la parte inferior, el material se evacúa por gravedad. El tornillo está montado en voladizo, sin rodamientos en la parte inferior ni sellos por debajo del nivel del material. Estos equipos pueden manejar grandes volúmenes y están disponibles en tamaños muy grandes.

Fig. 3: La forma del mezclador cónico de tornillo permite descargar fácilmente todo el lote

Desventajas:
Los materiales cohesivos pueden adherirse al tornillo, lo que puede provocar contaminación entre lotes o aumentar el tiempo de limpieza. Además, este tipo de mezclador suele ser más costoso y más alto que otros diseños.

Mezclador rotativo

Un mezclador rotativo es un mezclador por difusión que consiste en un recipiente que gira sobre su eje horizontal. El material se eleva por fricción con la pared y cae por gravedad, permitiendo la mezcla. La velocidad de rotación debe ajustarse cuidadosamente: velocidades bajas pueden ser ineficientes, mientras que velocidades altas pueden dañar partículas frágiles. Si la velocidad es excesiva, el material no cae y no se produce mezcla.

Ventajas:
Diseño simple, totalmente cerrado, sin partes móviles internas en contacto con el producto, lo que reduce el desgaste y facilita el mantenimiento.

Desventajas:
No es adecuado para materiales con tendencia a segregarse. Además, requiere desconectar equipos auxiliares durante su funcionamiento y puede presentar riesgos operativos.

Mezclador de cinta

Un mezclador de cinta es un mezclador convectivo con un eje interno que genera patrones de flujo dentro de una cubeta estacionaria.

Ventajas:
Adecuado para materiales con variaciones en tamaño de partícula y densidad. Flexible y adaptable a distintas aplicaciones.

Desventajas:
Los sellos están en contacto con el material, lo que puede generar desgaste o contaminación. La descarga completa puede ser más difícil.

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Autor: Chris Paulsworth, ingeniero de aplicaciones, división de productos químicos y minerales, Hosokawa Micron Powder Systems