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 . Ejemplos familiares incluyen el bombeo del agua en 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 transferencia de calor y/o masa entre una o más corrientes, componentes o fases. El procesamiento industrial moderno casi siempre implica alguna forma 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 medio líquido para obtener un rendimiento óptimo; la nitración orgánica requiere que los ácidos nítrico y sulfúrico concentrados (líquidos) se mezclen con una fase orgánica hidrófoba ; La producción de tabletas farmacéuticas 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 muy abstractas y forman parte de la teoría ergódica , que a su vez forma 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 frecuentemente en la ingeniería de procesos. La naturaleza de los líquidos a mezclar determina el equipo utilizado. La mezcla monofásica tiende a implicar mezcladores de alto flujo y bajo cizallamiento para provocar la absorción del líquido, mientras que la mezcla multifase generalmente requiere el uso de mezcladores de bajo flujo y alto cizallamiento para crear gotas de un líquido en forma laminar , turbulenta o de transición. regímenes de flujo, dependiendo del número de Reynolds del flujo. La mezcla turbulenta o de transición se realiza frecuentemente con turbinas o impulsores ; La mezcla laminar se realiza con mezcladores de cinta helicoidal o de anclaje. [2]
La mezcla de líquidos que son miscibles o al menos solubles entre sí ocurre frecuentemente en la ingeniería (y en la vida cotidiana). Un ejemplo cotidiano sería añadir leche o nata 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 poder de mezcla por unidad de volumen para lograr la misma homogeneidad en la misma cantidad de tiempo.
Las licuadoras secas son un tipo de mezcladoras industriales que normalmente se utilizan para mezclar múltiples componentes secos hasta que queden homogéneos . A menudo se hacen adiciones menores de líquido a la mezcla seca para modificar la formulación del producto. Los tiempos de mezclado con ingredientes secos suelen ser cortos (15 a 30 minutos), pero dependen en cierta medida de los distintos porcentajes de cada componente y de la diferencia en las densidades aparentes de cada uno. Se encuentran disponibles licuadoras de cinta, de paleta, de tambor y verticales. Muchos productos, incluidos productos farmacéuticos , alimentos , productos químicos , fertilizantes , plásticos , pigmentos y cosméticos , se fabrican con estos diseños. Las licuadoras secas 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 de vacío, válvulas especiales y aberturas de tapa.
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 fiables y predecir el comportamiento de ampliación y mezcla. Hoy en día, las mismas tecnologías de mezclado se utilizan para muchas más aplicaciones: mejorar la calidad del producto, recubrir partículas, fusionar materiales, humedecer, dispersar en líquido, aglomerar, alterar propiedades funcionales de materiales, etc. Esta amplia gama de aplicaciones de Los equipos de mezcla requieren 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 bien en mezcladoras discontinuas, que es la forma más sencilla de mezcla, o en determinados casos en mezcla seca continua, más compleja pero que aporta 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 arena, arcilla bentonita , polvo fino de carbón y agua se mezclan hasta obtener una masa plástica , moldeable y reutilizable, que se aplica para moldear y se vierte metal fundido para obtener arena. Piezas fundidas que son piezas metálicas para automóviles, construcción de maquinaria, construcción u otras industrias.
En el polvo se pueden determinar dos dimensiones diferentes en el proceso de mezcla: mezcla convectiva y mezcla intensiva. [4] En el caso de mezcla convectiva, el material en el mezclador se transporta de un lugar a otro. Este tipo de mezcla conduce a un estado menos ordenado dentro del mezclador, los componentes que deben mezclarse se distribuyen entre los demás componentes. Con el paso del tiempo, la mezcla se vuelve más aleatoria. Después de un cierto tiempo de mezclado se alcanza el estado aleatorio final. Por lo general, este tipo de mezcla se aplica para materiales gruesos y de flujo libre.
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, por ejemplo, de partículas finas y también de 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 mediante las suaves fuerzas de transporte en el mezclador convectivo. Para disminuir el tamaño del bulto se necesitan fuerzas adicionales; es decir, se requiere una mezcla que consume más energía. Estas fuerzas adicionales pueden ser fuerzas de impacto o fuerzas de corte.
La mezcla líquido-sólido generalmente se realiza para suspender sólidos gruesos que fluyen libremente o para romper grumos de sólidos aglomerados finos. Un ejemplo del primero es mezclar azúcar granulada con agua; un ejemplo de esto último es la mezcla de harina o leche en polvo con agua. En el primer caso, las partículas pueden suspenderse (y separarse unas de otras) mediante el movimiento masivo del fluido; en el segundo, el propio mezclador (o el campo de alto cizallamiento cercano a él) debe desestabilizar los grumos y provocar su desintegración.
Un ejemplo de proceso de mezcla sólido-líquido en la industria es el mezclado de hormigón, donde se mezclan cemento, arena, piedras pequeñas o grava y agua 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 en remolino asociada aumenta la tasa de transferencia de masa dentro de la mayor parte del fluido, y la convección del 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. Se prefieren los impulsores de flujo axial para la suspensión sólida porque la suspensión sólida necesita impulso en lugar de corte, aunque se pueden usar impulsores de flujo radial 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 encima), el impulsor gira para que el fluido sea empujado hacia arriba (aunque esto es relativamente raro). El equipo preferido para la suspensión de sólidos produce grandes flujos volumétricos pero no necesariamente un alto cizallamiento; Normalmente se utilizan impulsores de turbina de alto número de flujo, como hidroalas. Varias turbinas montadas en el mismo eje pueden reducir el consumo de energía. [5]
El grado de homogeneidad de una suspensión sólido-líquido se puede describir mediante el campo RSD ( desviación estándar relativa de la 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, [7] aunque esto depende del caso. La RSD se puede obtener mediante mediciones experimentales o mediante 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 "ampliación" para extrapolar la RSD de escala 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 recién suspendida" publicada por Zwietering (1958). [8] Es una correlación fácil de usar, pero no está diseñada para una suspensión homogénea. Solo proporciona una estimación aproximada de la velocidad de agitación para suspensiones de "mala" calidad (suspensiones parciales) en las que no queda ninguna partícula 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 secados por aspersión pueden aglomerarse o formar grumos durante el transporte y el almacenamiento. Los materiales con almidón o aquellos que forman geles cuando se exponen al solvente pueden formar grumos que se humedecen por fuera pero se secan por dentro. Estos tipos de materiales no se mezclan fácilmente con líquidos con los tipos de mezcladores preferidos para suspensiones sólidas porque las partículas de aglomerado deben someterse a un intenso cizallamiento para romperse. En algunos aspectos, 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 gases normalmente se mezclan 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 volátiles de un líquido. Normalmente se utiliza para este fin una columna empaquetada , 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 produce una reacción química (relativamente) lenta en la fase líquida, por lo que la diferencia de concentración en la capa delgada cerca de la burbuja es cercana a la del resto. Esto reduce la fuerza impulsora 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, asegurando que estén en flujo tipo pistón y puedan transferir masa de manera más eficiente.
Las turbinas Rushton se han utilizado tradicionalmente para dispersar gases en líquidos, pero opciones más nuevas, como la turbina Smith y la turbina Bakker, son cada vez más frecuentes. [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 efectividad). Los diseños más nuevos, como el impulsor GDX, casi han eliminado este problema.
La mezcla gas-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 fuerza suficiente para suspender las partículas sólidas, que de otro modo 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 utiliza la industria de procesos para separar gases y sólidos es el ciclón , que ralentiza el gas y hace que las partículas se sedimenten.
La mezcla multifase ocurre cuando se combinan sólidos, líquidos y gases en un solo paso. Esto puede ocurrir como parte de un proceso químico catalítico, en el que 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, el poder de mezcla lo proporciona el propio gas a medida que asciende a través del líquido, arrastrando el líquido con el penacho de burbujas. Esto atrae líquido hacia arriba dentro de la columna y hace que el líquido caiga fuera de la columna. Si la viscosidad del líquido es demasiado alta para permitir esto (o si las partículas sólidas son demasiado pesadas), es posible que se necesite un impulsor para mantener las partículas sólidas en suspensión.
Para la mezcla de líquidos, la nomenclatura está bastante estandarizada:
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 propósitos de ingeniería.
Cuando un impulsor de mezcla 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 para los impulsores se han publicado en el Manual de Mezclado Industrial patrocinado por el Foro de Mezcla de América del Norte. [15]
La potencia necesaria para hacer girar un impulsor se puede calcular mediante las siguientes ecuaciones:
(Régimen turbulento) [16]
(Régimen laminar)
es el número de potencia (adimensional), que es 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 potencia laminar constante; y es la viscosidad del fluido. Tenga en cuenta que la potencia del mezclador depende en gran medida de la velocidad de rotación y el 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 eso se utiliza la ecuación de potencia turbulenta.
El tiempo necesario para mezclar un fluido hasta 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 exhaustiva y se produce 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 mezcla. 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 tamaño pequeño y (típicamente) a la baja viscosidad del fluido, es posible usar una configuración para casi todas las tareas de mezclado. La barra agitadora cilíndrica se puede utilizar para 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 en el fondo del recipiente en lugar de estar suspendido cerca del centro. Además, los recipientes utilizados para la mezcla en laboratorio suelen ser más variados que los utilizados para la mezcla industrial; por ejemplo, se pueden utilizar matraces Erlenmeyer o matraces Florence además del vaso de precipitados más cilíndrico .
Cuando se reduce a microescala, la mezcla de fluidos se comporta de manera radicalmente diferente. [17] [18] Esto suele ser en tamaños desde un par (2 o 3) de milímetros hasta el rango de los 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 por el cual se unen dos fluidos diferentes. La difusión es un proceso relativamente lento. Por lo tanto, varios investigadores tuvieron que idear formas de mezclar los dos fluidos. 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, la gente también creó canales giratorios para obligar a los dos fluidos a mezclarse. Estos incluían dispositivos de múltiples capas donde los fluidos formaban espirales, dispositivos en forma de bucle donde los fluidos fluían alrededor de obstrucciones y dispositivos ondulados donde el canal se contraía y ensanchaba. Además se ensayaron canales con elementos en las paredes como muescas o arboledas.
Una forma de saber si la mezcla se produce debido a advección o difusión es encontrando el número de Peclet . Es la relación entre advección y difusión . Con números de Peclet elevados (> 1), domina la advección. Con números bajos de Peclet (< 1), domina la difusión.
Número de Peclet = (velocidad del flujo × ruta 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 mejora de los procesos de mezcla. El mezclado a escala industrial se realiza por lotes (mezcla dinámica), en línea o con ayuda de mezcladores estáticos . Las mezcladoras móviles funcionan con motores eléctricos que funcionan a velocidades estándar de 1800 o 1500 RPM, que suele ser mucho más rápido de lo necesario. Las cajas de cambios se utilizan para reducir 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. [19]
Además de realizar operaciones típicas de mezcla por lotes, algunas mezclas se pueden realizar de forma continua. Usando una máquina como el Procesador Continuo, uno o más ingredientes secos y uno o más ingredientes líquidos se pueden dosificar de manera precisa y consistente en la máquina y ver salir una mezcla continua y homogénea de la descarga de la máquina. [20] Muchas industrias se han convertido a la mezcla continua por muchas razones. Algunos de ellos son facilidad de limpieza, menor consumo de energía, menor tamaño, versatilidad, control y muchos otros. 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 cifras 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. [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 torque pero operan a menor velocidad que los impulsores con números de potencia más bajos, que operan con un torque más bajo pero velocidades más altas.
Hay dos tipos principales de mezcladores de espacio reducido: anclas y cintas helicoidales. Los mezcladores de ancla inducen la rotación del cuerpo sólido y no promueven la mezcla vertical, pero las cintas helicoidales sí lo hacen. Los mezcladores de paso cerrado se utilizan en el régimen laminar, porque la viscosidad del fluido supera las fuerzas de inercia del flujo y evita que el fluido que sale del impulsor arrastre el fluido que se encuentra junto a él. Los mezcladores de cinta helicoidal generalmente giran para empujar el material de la pared hacia abajo, lo que ayuda a hacer circular el fluido y refrescar la superficie de la pared. [22]
Los dispersores de alto cizallamiento crean un cizallamiento intenso cerca del impulsor pero un flujo relativamente pequeño 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 resistencia relativamente bajo y, por lo tanto, requieren un par comparativamente pequeño para girar a alta velocidad. Los dispersores de alto cizallamiento 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 para líquidos son una especie de mezclador estático que hace pasar fluido a alta presión a través de un orificio y posteriormente sobre una paleta. [24] Esto somete al fluido a altas tensiones turbulentas y puede provocar mezcla , emulsificación , [25] [26] desaglomeración y desinfección.
