En ingeniería de procesos industriales , la mezcla es una operación unitaria que implica la manipulación de un sistema físico heterogéneo con la intención de hacerlo más homogéneo . Algunos ejemplos conocidos incluyen el bombeo del agua de una piscina para homogeneizar la temperatura del agua y la agitación de la masa de panqueques para eliminar grumos (desaglomeración).
La mezcla se realiza para permitir que se produzca una transferencia de calor o masa entre una o más corrientes, componentes o fases. El procesamiento industrial moderno casi siempre implica algún tipo de mezcla. [1] Algunas clases de reactores químicos también son mezcladores.
Con el equipo adecuado, es posible mezclar un sólido, líquido o gas con otro sólido, líquido o gas. Un fermentador de biocombustibles puede requerir la mezcla de microbios, gases y un medio líquido para obtener un rendimiento óptimo; la nitración orgánica requiere que se mezclen ácidos nítrico y sulfúrico concentrados (líquidos) con una fase orgánica hidrófoba ; 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 son parte de la teoría ergódica , que a su vez es parte de la teoría del caos .
El tipo de operación y equipo utilizado durante la mezcla depende 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 ocurre con frecuencia en la ingeniería de procesos. La naturaleza de los líquidos a mezclar determina el equipo utilizado. La mezcla monofásica tiende a involucrar mezcladores de alto flujo y bajo esfuerzo cortante para provocar la inmersión del líquido, mientras que la mezcla multifásica generalmente requiere el uso de mezcladores de bajo flujo y alto esfuerzo cortante para crear gotas de un líquido en regímenes de flujo laminar , turbulento o transicional, dependiendo del número de Reynolds del flujo. La mezcla turbulenta o transicional se realiza con frecuencia con turbinas o impulsores ; la mezcla laminar se realiza con mezcladores de cinta helicoidal o de ancla. [2]
La mezcla de líquidos que son miscibles o al menos solubles entre sí ocurre con frecuencia en ingeniería (y en la vida cotidiana). Un ejemplo cotidiano sería la adición de leche o crema al té o al café. Dado que ambos líquidos son a base de agua, se disuelven fácilmente entre sí. El impulso del líquido que se agrega a veces es suficiente para causar suficiente turbulencia para mezclar los dos, ya que la viscosidad de ambos líquidos es relativamente baja. Si es necesario, se puede utilizar una cuchara o una paleta para completar el proceso de mezcla. Mezclar un líquido más viscoso, como la miel , requiere más potencia de mezcla por unidad de volumen para lograr la misma homogeneidad en la misma cantidad de tiempo.
Las mezcladoras en seco son un tipo de mezclador industrial que se utilizan normalmente para mezclar varios componentes secos hasta que sean homogéneos . A menudo se realizan pequeñas adiciones de líquido a la mezcla seca para modificar la fórmula del producto. Los tiempos de mezcla con ingredientes secos suelen ser cortos (15 a 30 minutos), pero dependen en cierta medida de los porcentajes variables de cada componente y de la diferencia en las densidades aparentes de cada uno. Hay disponibles mezcladoras de cinta, de paletas, de volteo y verticales. Muchos productos, incluidos productos farmacéuticos , alimentos , productos químicos , fertilizantes , plásticos , pigmentos y cosméticos , se fabrican en estos diseños. Las mezcladoras en seco varían en capacidad 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 y características opcionales como acabados sanitarios, construcción al vacío, válvulas especiales y aberturas de cubierta.
La mezcla de polvos es una de las operaciones unitarias más antiguas en las industrias de manipulación de sólidos. Durante muchas décadas, la mezcla de polvos se ha utilizado únicamente para homogeneizar materiales a granel. Se han diseñado muchas máquinas diferentes para manipular materiales con diversas propiedades de sólidos a granel. Sobre la base de la experiencia práctica adquirida con estas diferentes máquinas, se han desarrollado conocimientos de ingeniería para construir equipos confiables y predecir el aumento de escala y el comportamiento de la mezcla. Hoy en día, las mismas tecnologías de mezcla se utilizan para muchas más aplicaciones: para mejorar la calidad del producto, recubrir partículas, fusionar materiales, humedecer, dispersar en líquido, aglomerar, alterar las propiedades funcionales del material, etc. Esta amplia gama de aplicaciones de los equipos de mezcla requiere un alto nivel de conocimiento, una larga experiencia e instalaciones de prueba ampliadas para llegar a la selección óptima de equipos y procesos.
La mezcla sólido-sólido se puede realizar tanto en mezcladoras discontinuas, que es la forma más sencilla de mezclar, o en ciertos casos en mezcladoras continuas en seco, más complejas pero que aportan interesantes ventajas en términos de segregación, capacidad y validación. [3] Un ejemplo de un proceso de mezcla sólido-sólido es la arena de moldeo de fundición , donde se mezcla arena, arcilla bentonita , polvo fino de carbón y agua hasta formar una masa plástica , moldeable y reutilizable, aplicada para moldear y verter metal fundido para obtener fundiciones de arena que son piezas metálicas para automóviles, maquinaria de construcción, construcción u otras industrias.
En el proceso de mezclado de polvos se pueden determinar dos dimensiones diferentes: mezclado convectivo y mezclado intensivo. [4] En el caso del mezclado convectivo, el material en el mezclador se transporta de un lugar a otro. Este tipo de mezclado conduce a un estado menos ordenado dentro del mezclador, los componentes que deben mezclarse se distribuyen entre los otros componentes. Con el paso del tiempo, la mezcla se vuelve más ordenada aleatoriamente. Después de un cierto tiempo de mezclado, se alcanza el estado aleatorio final. Por lo general, este tipo de mezclado se aplica para materiales de flujo libre y gruesos.
Una posible amenaza durante la macromezcla es la desmezcla de los componentes, ya que las diferencias de tamaño, forma o densidad de las diferentes partículas pueden provocar segregación.
Cuando los materiales son cohesivos, como es el caso de las partículas finas y también del material húmedo, la mezcla convectiva ya no es suficiente para obtener una mezcla ordenada aleatoriamente. Las fuerzas relativamente fuertes entre partículas forman grumos, que no se rompen con las suaves fuerzas de transporte en el mezclador convectivo. Para reducir el tamaño de los grumos son necesarias fuerzas adicionales; es decir, se requiere una mezcla que consuma más energía. Estas fuerzas adicionales pueden ser fuerzas de impacto o fuerzas de cizallamiento.
La mezcla de líquido y sólido se realiza normalmente para suspender sólidos gruesos que fluyen libremente o para romper grumos de sólidos finos aglomerados. Un ejemplo del primer caso es mezclar azúcar granulada con agua; un ejemplo del segundo es mezclar harina o leche en polvo con agua. En el primer caso, las partículas pueden levantarse y quedar en suspensión (y separarse unas de otras) mediante el movimiento en masa del fluido; en el segundo, el propio mezclador (o el campo de alta cizalladura cercano a él) debe desestabilizar los grumos y hacer que se desintegren.
Un ejemplo de un proceso de mezcla sólido-líquido en la industria es la mezcla de hormigón, donde cemento, arena, piedras pequeñas o grava y agua se mezclan hasta formar una masa homogénea y autoendurecible , utilizada en la industria de la construcción.
La suspensión de sólidos en un líquido se realiza para mejorar la tasa de transferencia de masa entre el sólido y el líquido. Los ejemplos incluyen disolver un reactivo sólido en un solvente o suspender partículas de catalizador en líquido para mejorar el flujo de reactivos y productos hacia y desde las partículas. La difusión de remolino asociada aumenta la tasa de transferencia de masa dentro de la masa del fluido, y la convección de material lejos de las partículas disminuye el tamaño de la capa límite , donde ocurre la mayor parte de la resistencia a la transferencia de masa. Los impulsores de flujo axial son los preferidos para la suspensión de sólidos porque la suspensión de sólidos necesita momento en lugar de cizallamiento, aunque los impulsores de flujo radial se pueden usar en un tanque con deflectores, lo que convierte parte del movimiento de rotación 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 que el fluido sea empujado hacia abajo; cuando el sólido es menos denso que el líquido (y, por lo tanto, flota en la parte superior), el impulsor gira para que el fluido sea empujado hacia arriba (aunque esto es relativamente raro). El equipo preferido para la suspensión sólida produce grandes flujos volumétricos, pero no necesariamente un alto esfuerzo cortante; por lo general, se utilizan impulsores de turbinas de alto caudal, como hidroalas. El montaje de varias turbinas en el mismo eje puede reducir el consumo de energía. [5]
El grado de homogeneidad de una suspensión sólido-líquido se puede describir por la RSD ( desviación estándar relativa del campo de fracción de volumen sólido en el tanque de mezcla). Una suspensión perfecta tendría una RSD de 0% pero en la práctica, una RSD inferior o igual a 20% puede ser suficiente para que la suspensión se considere homogénea, [7] aunque esto depende del caso. La RSD se puede obtener mediante mediciones experimentales o cálculos. Las mediciones se pueden realizar a escala completa, pero esto generalmente no es práctico, por lo que es común realizar mediciones a pequeña escala y utilizar un criterio de "escalamiento ascendente" para extrapolar la RSD de pequeña a escala completa. Los cálculos se pueden realizar utilizando un software de dinámica de fluidos computacional o utilizando 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 prácticamente a cualquier diseño de tanque y agitador, pero requieren experiencia y un largo tiempo de cálculo. Las correlaciones son fáciles de usar pero son menos precisas y no cubren ningún diseño posible. La correlación más popular es la correlación de "velocidad de suspensión inmediata" publicada por Zwietering (1958). [8] Es una correlación fácil de usar, pero no está pensada para suspensiones homogéneas. Solo proporciona una estimación aproximada de la velocidad de agitación para suspensiones de "mala" calidad (suspensiones parciales) en las que ninguna partícula permanece en el fondo durante más de 1 o 2 segundos. Otra correlación equivalente es la correlación de Mersmann (1998). [9] Para suspensiones de "buena" calidad, se pueden encontrar algunos ejemplos de correlaciones útiles en las publicaciones de Barresi (1987), [10] Magelli (1991), [11] Cekinski (2010) [12] o Macqueron (2017). [6] El aprendizaje automático también se puede utilizar para construir modelos mucho más precisos que las correlaciones "clásicas". [6] [13]
Los polvos muy finos, como los pigmentos de dióxido de titanio , y los materiales que se han secado por aspersión pueden aglomerarse o formar grumos durante el transporte y el almacenamiento. Los materiales almidonados o los que forman geles cuando se exponen al disolvente pueden formar grumos que se humedecen por fuera pero se secan por dentro. Estos tipos de materiales no se mezclan fácilmente en líquido con los tipos de mezcladores preferidos para la suspensión de sólidos porque las partículas aglomeradas deben someterse a un esfuerzo cortante intenso para romperse. En algunos sentidos, la desaglomeración de sólidos es similar a la mezcla de líquidos inmiscibles, excepto por el hecho de que la coalescencia no suele ser un problema. Un ejemplo cotidiano de este tipo de mezcla es la producción de batidos a partir de leche líquida y helado sólido.
Los líquidos y los gases se mezclan normalmente para permitir que se produzca la transferencia de masa . Por ejemplo, en el caso de la extracción con aire , se utiliza gas para eliminar los componentes volátiles de un líquido. Normalmente, se utiliza una columna de relleno para este fin, en la que el relleno actúa como un mezclador inmóvil y la bomba de aire proporciona la fuerza motriz. Cuando se utilizan un tanque y un impulsor, el objetivo suele ser garantizar que las burbujas de gas permanezcan en contacto con el líquido durante el mayor tiempo posible. Esto es especialmente importante si el gas es caro, como el oxígeno puro , o se difunde lentamente en el líquido. La mezcla en un tanque también es útil cuando se está produciendo una reacción química (relativamente) lenta en la fase líquida, por lo que la diferencia de concentración en la capa fina cerca de la burbuja es cercana a la del volumen. Esto reduce la fuerza motriz para la transferencia de masa. Si hay una reacción química (relativamente) rápida en la fase líquida, a veces es ventajoso dispersar pero no recircular las burbujas de gas, lo que garantiza que estén en flujo tapón y puedan transferir masa de forma más eficiente.
Tradicionalmente, se han utilizado turbinas Rushton para dispersar gases en líquidos, pero cada vez son más comunes opciones más nuevas, como la turbina Smith y la turbina Bakker. [14] Uno de los problemas es que, a medida que aumenta el flujo de gas, se acumula cada vez más gas 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 nuevos, como el impulsor GDX, han eliminado casi por completo este problema.
La mezcla de gas y sólido se puede realizar para transportar polvos o partículas sólidas pequeñas de un lugar a otro, o para mezclar reactivos gaseosos con partículas sólidas de catalizador. En cualquier caso, los remolinos turbulentos del gas deben proporcionar suficiente fuerza para suspender las partículas sólidas, que de lo contrario se hundirían bajo la fuerza de la gravedad . El tamaño y la forma de las partículas es una consideración importante, ya que diferentes 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 hace que las partículas se sedimenten.
La mezcla multifásica se produce cuando se combinan sólidos, líquidos y gases en un solo paso. 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 la hidrogenación ); o en la fermentación, donde los microbios 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 potencia de mezcla la proporciona el propio gas a medida que se mueve hacia arriba a través del líquido, arrastrando el líquido con la columna de burbujas. Esto atrae el líquido hacia arriba dentro de la columna y hace que caiga fuera de la columna. 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 suspendidas.
Para la mezcla de líquidos, la nomenclatura está bastante estandarizada:
Muchas de las ecuaciones que se utilizan para determinar el rendimiento de los mezcladores se derivan empíricamente o contienen constantes derivadas empíricamente. Dado que los mezcladores funcionan en régimen turbulento, muchas de las ecuaciones son aproximaciones que se consideran aceptables para la mayoría de los propósitos 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:
Los números de flujo de los impulsores se han publicado en el Manual de mezcla industrial patrocinado por el Foro de mezcla de América del Norte. [15]
La potencia necesaria para girar un impulsor se puede calcular utilizando las siguientes ecuaciones:
(Régimen turbulento) [16]
(Régimen laminar)
es el número de potencia (adimensional), que es una función de la geometría del impulsor; es la densidad del fluido; es la velocidad de rotación, normalmente rotaciones por segundo; es el diámetro del impulsor; es la constante de potencia laminar; y es la viscosidad del fluido. Tenga en cuenta que la potencia del mezclador depende en gran medida de la velocidad de rotación y del diámetro del impulsor, y depende 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 y, por lo tanto, se utiliza la ecuación de potencia turbulenta.
El tiempo necesario para mezclar un fluido hasta alcanzar un 5% de la concentración final, se puede calcular con las siguientes correlaciones:
(Régimen turbulento)
(Región de transición)
(Régimen laminar)
El límite transicional/turbulento ocurre en
El límite laminar/transicional ocurre en
A escala de laboratorio, la mezcla se logra mediante agitadores magnéticos o simplemente agitando las manos. A veces, la mezcla en recipientes de laboratorio es más completa y ocurre más rápido de lo que es posible industrialmente. Las barras agitadoras 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 se produce rápidamente (tiempo de mezcla corto). Existe una variedad de configuraciones de barras agitadoras, pero debido al pequeño tamaño y (típicamente) baja viscosidad del fluido, es posible usar una configuración para casi todas las tareas de mezcla. La barra agitadora cilíndrica se puede utilizar para la suspensión de sólidos, como se ve en yodometría , desaglomeración (útil para la preparación de medio de crecimiento microbiológico a partir de polvos) y mezcla líquido-líquido. Otra peculiaridad de la mezcla de laboratorio es que el mezclador descansa sobre 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, se pueden utilizar matraces Erlenmeyer o matraces de Florencia , además del vaso de precipitados más cilíndrico .
Cuando se reduce a la microescala, la mezcla de fluidos se comporta radicalmente diferente. [17] [18] Esto suele ocurrir en tamaños que van desde un par (2 o 3) milímetros hasta el rango nanométrico. 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 por el cual dos fluidos diferentes se juntan. 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. Más allá de simplemente interconectar los dos líquidos, las personas también hicieron canales retorcidos para obligar a los dos fluidos a mezclarse. Estos incluían dispositivos multicapa donde los fluidos formaban espirales, dispositivos en bucle donde los fluidos fluían alrededor de obstrucciones y dispositivos ondulados donde el canal se contraía y se ensanchaba. Además, se probaron canales con características en las paredes como muescas o ranuras.
Una forma de saber si la mezcla se produce por convección o difusión es mediante el número de Peclet . Es la relación entre la convección y la difusión . Con números de Peclet altos (> 1), predomina la convección. Con números de Peclet bajos (< 1), predomina la difusión.
Número de Peclet = (velocidad de flujo × trayectoria de mezcla) / coeficiente de difusión
A escala industrial, puede resultar difícil lograr una mezcla eficiente. Se dedica una gran cantidad de esfuerzo de ingeniería al diseño y la mejora de los procesos de mezcla. La mezcla a escala industrial se realiza en lotes (mezcla dinámica), en línea o con la ayuda de mezcladores estáticos . Los mezcladores móviles están accionados por motores eléctricos que funcionan a velocidades estándar de 1800 o 1500 RPM, que normalmente es mucho más rápido de lo necesario. Se utilizan cajas de cambios para reducir la velocidad y aumentar el par. Algunas aplicaciones requieren el uso de mezcladores de múltiples ejes, en los que se utiliza una combinación de tipos de mezcladores para mezclar completamente el producto. [19]
Además de realizar operaciones típicas de mezclado por lotes, algunas mezclas se pueden realizar de forma continua. Con una máquina como el procesador continuo, se pueden dosificar de forma precisa y constante uno o más ingredientes secos y uno o más ingredientes líquidos en la máquina y ver cómo sale una mezcla homogénea y continua por la descarga de la máquina. [20] Muchas industrias han adoptado el mezclado continuo por muchas razones. Algunas de ellas son la facilidad de limpieza, el menor consumo de energía, el menor espacio ocupado, 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.
A continuación se muestra una selección de geometrías de turbinas y números de potencia.
Se utilizan distintos tipos de impulsores para distintas 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. [21] El número de potencia es una medida empírica de la cantidad de par necesario para impulsar 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 funcionan a menor velocidad que los impulsores con números de potencia más bajos, que funcionan a menor par pero a mayor velocidad.
Existen dos tipos principales de mezcladores de espacio reducido: los mezcladores de ancla y los mezcladores de cinta helicoidal. Los mezcladores de ancla inducen la rotación del cuerpo sólido y no promueven la mezcla vertical, pero los mezcladores de cinta helicoidal sí lo hacen. Los mezcladores de espacio reducido se utilizan en el régimen laminar, porque la viscosidad del fluido supera las fuerzas de inercia del flujo e impide que el fluido que sale del impulsor arrastre al fluido que se encuentra junto a él. Los mezcladores de cinta helicoidal suelen girar para empujar el material de la pared hacia abajo, lo que ayuda a circular el fluido y refrescar la superficie de la pared. [22]
Los dispersores de alto esfuerzo cortante generan un esfuerzo cortante intenso cerca del impulsor, pero relativamente poco flujo en la mayor parte del recipiente. Estos dispositivos suelen parecerse a hojas de sierra circular y giran a alta velocidad. Debido a su forma, tienen un coeficiente de arrastre relativamente bajo y, por lo tanto, requieren un par relativamente pequeño para girar a alta velocidad. Los dispersores de alto esfuerzo cortante se utilizan para formar emulsiones (o suspensiones) de líquidos inmiscibles y desaglomeración de sólidos. [23]
Los mezcladores estáticos se utilizan cuando un tanque de mezcla sería demasiado grande, demasiado lento o demasiado costoso para usarlo en un proceso determinado.
Los silbatos líquidos son un tipo de mezclador estático que pasa fluido a alta presión a través de un orificio y posteriormente sobre una cuchilla. [24] Esto somete al fluido a altas tensiones turbulentas y puede dar como resultado mezcla , emulsificación , [25] [26] desaglomeración y desinfección.
