Mezclado

MEZCLADO

Introducción

Lograr un buen mezclado de sólidos particulares de diferente tamaño y densidad es de suma importancia para muchas industrias. Las partículas que pueden fluir se segregan naturalmente. Por ejemplo, en una bolsa de cereales o en el paquete de yerba, las partículas más grandes las encontramos mayoritariamente en la parte de arriba, mientras que las pequeñas migran al fondo. En el caso de las mezclas de líquidos miscibles y gases, el flujo convectivo logra un mezclado macro, mientras que los procesos difusivos logran el mezclado a nivel micro. Consecuentemente, las mezclas de gases y líquidos si se dejan el tiempo suficiente tienden a homogeneizar la composición de la mezcla. Las mezclas sólidas nunca alcanzan tal homogeneidad porque tienden a segregarse, mientras que los líquidos y sólidos tienden a mezclarse.

En la industria alimentaria el mezclado es utilizado frecuentemente para disminuir diferencias en propiedades de polvos como concentración, color, textura, sabor, etc.

El requerimiento de uniformidad de la composición de una dada mezcla depende de la aplicación del sistema particulado. Por ejemplo, la composición de los medicamentos debe especificarse estrictamente para asegurar su eficacia y seguridad en su aplicación. Consecuentemente el rango de variación de composición es bien estrecho. En cambio, si estamos preparando los ingredientes de una sopa deshidratada la tolerancia en el mezclado puede ser algo mayor, pero no exagerada ya que el consumidor se acostumbra a sabores, olores, consistencias, etc. Cambios abruptos en composición de tales mezclas puede conducir a la pérdida de mercado.

Mezclado de sólidos

Mecanismos de mezclado

Se reconoce la existencia de tres mecanismos en el proceso de mezclado de sólidos:

 Convección: Se produce cuando fracciones del sistema particulado total son trasladadas a otra región del espacio donde están confinadas las mezclas. Se logra en equipos que agitan o rota la mezcla.

 Difusión (no molecular): Un mezclado del tipo difusivo en sólidos se refiere por ejemplo al movimiento de partículas sobre superficies con una pendiente dada sólo migran por gravedad, No hay que adicionar energía para el movimiento.

 Por esfuerzos de corte: se producen planos de deslizamiento entre distintas regiones de la muestra. Por ejemplo si la mezcla es muy cohesiva, es recomendable utilizar equipos con paletas que ejerzan esfuerzos de corte a la mezcla, en lugar de mezcladores tipo rotatorios.

En los equipos de mezclas es común que más de un mecanismo tenga lugar durante el proceso de mezclado.

. Mezcladores

Mezcladores de Tambor Rotatorio: En la Figura 10.1 se presentan diferentes tambores rotatorios. Si bien existe un componente convectivo en el mezclado, el mecanismo predominante es el difusivo (ocurre segregación). En la Figura 10.2 se muestra un mezclador de tambor con baffles internos para reducir la segregación.

Figura 10.1. Mezcladores de tambor. a) cilindro horizontal, b) de doble cono, c) cono en V, d) cono en Y. Fuente: Ortegas-Rivas (2005).

Figura 10.2. Mezcladores de tambor con baffles internos. Fuente: Walas (1990).

Mezcladores convectivos: En este tipo de equipos la circulación de sólidos se logra dentro de carcasas estáticas en las que se disponen paletas que rotan. El mecanismo

principal de mezclado es la convección, sin embargo también se produce difusión y movimiento por esfuerzos de corte. Uno de los equipos más comunes es la mezcladora de cintas, donde paletas helicoidales rotan dentro de un cilindro estático (Figura 10.3).

Otros tipos de mezcladores son los de tornillos, los cuales se muestran en la Figura 10.4. Los tornillos elevan material desde el fondo y lo desplaza hacia el tope.

Figura 10.3. Mezclador de cintas. Fuente: Ortegas-Rivas (2005).

Figura 10.4. Mezcladores de tornillo. Fuente: Ortegas-Rivas (2005).

Lechos fluidizados: En estos mezcladores el mecanismo de mezclado predominante es la convección. En este equipo se puede llevar a cabo más de una operación unitaria, por ejemplo recubrimiento, enfriamiento y mezclado.

Mezcladores de alto corte: Son parecidos a los rotogranuladores, en este caso el mecanismo principal de mezclado son los esfuerzos de corte generados. Son muy usados para el mezclado de polvos cohesivos.

Mezclas binarias

Una mezcla perfecta de partículas de igual tamaño y distinto color (ver Figura 10.5) indica que independientemente de la región donde tomemos una muestra, encontraremos la misma proporción de partículas negras y blancas. La mezcla perfecta, a menos que se haga la selección manual, no es posible obtenerla en un mezcla real. Lo que se pretende lograr es una mezcla al azar y evitar tener mezclas segregadas (ver Figura 10.5).

Mezcla Perfecta Mezcla al azar Mezcla segregada

Figura 10.5. Tipos de mezclas. Fuente: Rhodes (1998).

Para cuantificar el grado de mezclado de un sistema debemos recurrir a ciertos parámetros estadísticos que ya se han definido en el Capítulo 3. El valor medio y la desviación estándar de una distribución están dados por las ecuaciones (3.26) y (3.27), respectivamente.

Respecto al mezclado de partículas, Lacy en los 1950s desarrolló algunas fórmulas que permiten estimar las diferencias (desviaciones) de composición en mezclas. Observó que en un sistema binario, donde la única diferencia entre las poblaciones que se mezcla es el color, la desviación estándar de la mezcla al azar

( σR ) está dada por:

Desviación mínima

Donde n0 es el número de partículas en la muestra, p y q representan la fracción en número de los dos componentes en la mezcla (de modo que p+q=1). Si la mezcla se encuentra al azar, la desviación dada por la ecuación (10.1) es entonces la mínima posible.

Por el contrario, si la mezcla se encuentra totalmente segregada, la desviación máxima dada por Lacy es:

Desviación máxima

(10.2)

Ejemplo

Una compañía de golosinas tiene en el mercado un producto que consiste en un tubo lleno de 100 confites con igual proporción de confites rojos y azules. Los confites sólo se diferencian en el color. Los confites son mezclados en un mezclador rotatorio antes de llenar los tubos. Determine las características del producto si está mezclado al azar.

Solución p=0.5

q=0.5

n0=100

Desviación mínima

El número promedio de confites azules y rojos es igual a 0.5, tal como se calcula a continuación:

Si se asume una distribución normal, el 95 % de la población debe caer entre x = x ± 1.96 σ . El número de confites rojos o azules que podemos encontrar en los tubos dentro de un intervalo de confianza del 95% es:

Mejor de los casos: x = x ± 1.96 σ = 0.5 ± (1.96)(0.05) = 0.5 ± 0.098

Si los confites se logran mezclar al azar en los tubos encontraremos 50 confites rojos ±9.8, redondeando 50±10, es decir 60 o 40. De 100 tubos que tengamos a la venta,95 de ellos tendrían un número de confites rojos entre 60 y 40. 2.5 tubos tendrían menos que 40 y 2.5 tubos contendrían más de 60 confites rojos. Aunque la mezcla esté bien lograda no podremos tener el 100% de los tubos con 50 confites rojos. La única manera de lograrlo sería mediante un mezclado estructurado, que consiste en contar los confites durante el llenado.

Índices de mezclado

Las ecuaciones (10.1) y (10.2) indican los límites de mezclado, sin embargo es muy poco probable que todas las mezclas se vean representadas por estos dos casos límites. Por esta razón se definen diferentes índices de mezclado:

Índice de mezclado Lacey

donde σ es la desviación de la mezcla real. Cuando ML=0 indica que la mezcla está completamente segregada, mientras que ML=1 indica que el sistema está mezclado al azar. En la mayoría de los casos el índice ML cae en el rango 0.75-1, por lo tanto se considera que el índice de Lacey no discrimina adecuadamente sistemas con diferentes grados de mezclado.

Poole y otros en 1964, propusieron el siguiente índice:

Índice de mezclado de Poole

La eficiencia de la mezcla (Blender efficiency) se define como sigue:

Eficiencia de mezcla

(10.5

Existen

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