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Mezcladores de tolva / mezcladores tipo tambor

Mezclador de bidón

Mezclador IBC de tolva

Tambor mezclador de tolva

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Resumen de la sección
1. Introducción
2. Principio de mezcla
3. Parámetros operativos de mezcla
4. Especificaciones detalladas
5. Problemas comunes con mezcladores de tolva

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1. Definición de un mezclador de tolva

¿Qué es un mezclador de tolva / IBC?

Los mezcladores de tolva son equipos en los que la fuerza motriz de la mezcla se logra mediante la rotación de toda la tolva, con mezcla por caída libre dentro de la carcasa rotativa y sin agitadores (con algunas excepciones). Los mezcladores de caída libre están muy extendidos en las industrias de procesamiento de sólidos a granel en seco Mezcla (Incluye mezcladores en V, bicónicos, rotocubos, mezcladores de bidón o mezcladores de tolva).

Aunque existen otros diseños de mezcladores que superan el rendimiento de los mezcladores tipo tambor en ciertos aspectos, siguen siendo una solución muy sencilla para operaciones pequeñas o para realizar una premezcla , por ejemplo.

En el caso de los mezcladores de tolva, la posibilidad de mover la tolva en la que se realiza la mezcla también abre interesantes posibilidades para reducir el manejo, el transporte y la emisión de polvo. Estos diseños de mezcladores se utilizan muy a menudo en la industria farmacéutica o en la fabricación de alimentos.

Esta página web se centra en el diseño detallado de los mezcladores tipo tambor y, más concretamente, en los mezcladores de tolva (IBC), un tipo de mezcladores que ha experimentado un desarrollo importante en los últimos años.

2. Principio de mezcla de los mezcladores de tolva

¿Cuál es el principio de mezcla de los mezcladores de tolva y de bidón?

La mayoría de los mezcladores de caída libre son mezcladores puramente difusivos, que operan con Fr < 1. El movimiento de las partículas no está forzado por un agitador, como ocurre en el caso de las Mezcladoras de cinta helicoidal o las Mezcladoras de paletas. El movimiento de las partículas se genera aquí mediante la rotación de todo el mezclador, lo que provoca que las partículas rueden hacia abajo (en la superficie del lecho de sólidos dentro del mezclador, siendo el movimiento de las partículas similar a una "avalancha").

Dado que el principio de funcionamiento de los mezcladores de tolva y otros mezcladores rotativos se basa en el movimiento libre de las partículas, estos mezcladores tendrán un rendimiento limitado con polvos cohesivos. De hecho, hay muy poca fuerza disipada en el mezclador para separar partículas del mismo tipo; por lo tanto, si el mezclador se llena con capas de diferentes polvos cohesivos, es posible que permanezcan juntas y no se mezclen.

Por otro lado, los sólidos que fluyen particularmente libre pueden también causar problemas en los mezcladores difusivos, dando lugar a Segregación (desmezcla). Un ejemplo muy común es llenar un mezclador rotativo con esferas de diferentes densidades; tras una mezcla aparente, finalmente se separan por completo.

A pesar de estas limitaciones, no se debe descartar de inmediato este tipo de mezcladores. Constituyen, de hecho, una solución muy sencilla, económica, fiable y, en general, ofrecen una buena accesibilidad para la limpieza entre 2 lotes, si es necesario. La Homogeneidad lograda es muy variable, pero puede ser más que satisfactoria para ciertas aplicaciones, especialmente cuando se produce una premezcla que se utilizará en un mezclador principal. Además, debe señalarse que el producto no está en contacto con cojinetes ni con juntas de cojinete, eliminando una fuente de contaminación (liberación ocasional de producto estancado, lubricante o desgaste de piezas mecánicas).

Figura 1: Mezclador de Caída Libre

3. Rendimiento de los mezcladores de tolva: parámetros operativos de mezcla

En los mezcladores difusivos, el tiempo de mezcla suele ser de 5 a 15 minutos. Esto es bastante largo en comparación con otros mezcladores y se debe principalmente al hecho de que no hay agitador involucrado para acelerar el movimiento de las partículas.

El rendimiento del mezclador, es decir, el tiempo necesario para alcanzar una homogeneidad deseada, es función de los siguientes parámetros operativos:

• Tamaño del lote de mezcla : la capacidad de trabajo de los mezcladores de tolva es del 50-60% del volumen total del mezclador. La tasa de llenado es absolutamente crítica para los mezcladores de caída libre. Los sólidos a granel necesitan, de hecho, espacio para moverse durante la rotación y promover la mezcla. Si el mezclador está demasiado lleno, se pueden esperar malos coeficientes de variación (CV) y/o tiempos de mezcla prolongados.
• Velocidad de mezcla : las velocidades típicas de mezcla están en el rango de 15-25 rpm, con un Número de Froude < 1; es común probar el mezclador a diferentes velocidades y tiempos de mezcla durante la validación.
• Velocidad y tiempo de mezcla : en este tipo de mezcladores, lo que suele importar es el número de rotaciones, una vez superada cierta velocidad. Si se alcanza la homogeneidad correcta a 10 min y 15 rpm (150 rotaciones), se puede intentar validar la mezcla a 7.5 min y 20 rpm (150 rotaciones). Puede haber algunos cambios para grandes diferencias de velocidad, ya que la velocidad de rotación también puede influir en la difusión dentro del mezclador.
• Presencia de deflectores : algunos mezcladores tienen deflectores (placas fijas en el mezclador) para promover la mezcla. Dichos deflectores pueden mejorar la mezcla en algunos casos, pero el efecto puede ser neutro o incluso perjudicial.

La potencia requerida para los mezcladores rotativos es bastante baja, en el rango de 1 kW/m³.

Agitador adicional

Algunos fabricantes de mezcladores de tolva ofrecen la opción de añadir un impulsor dentro del mezclador. El mezclador sigue rotando, pero además el agitador proporciona un efecto de mezcla convectiva. Este tipo de sistema puede mejorar el rendimiento del mezclador, especialmente con polvos cohesivos; sin embargo, añade complejidad al sistema y dificultad de limpieza, dos aspectos a considerar antes de incorporar un agitador.

4. Máquina mezcladora de tolva: especificaciones detalladas

Tipo de contenedor

Existen muchos diseños de mezcladores rotativos. Los bicónicos, los mezcladores en V tienen una carcasa fija y deben llenarse y vaciarse en el lugar. Sin embargo, en los últimos años se ha observado una tendencia creciente en industriales y proveedores de equipos hacia el uso de bidones y tolvas (o IBC ). Este tipo de sistemas ofrecen la flexibilidad de poder trasladar la tolva a otro lugar distinto de donde se encuentra el mezclador. Así, el IBC puede llevarse a un sistema de dosificación para ser llenado y puede moverse desde el mezclador hasta un punto de acoplamiento para ser descargado.

Las tolvas pueden ser muy pequeñas (20-50 litros; más en forma de bidones) hasta muy grandes (2-5 m³). Para los IBC grandes, a veces se les denomina "totes", por lo que el mezclador recibe la denominación de mezclador de totes.

Este tipo de sistemas, basados en bidones y tolvas IBC, está ganando terreno en la industria. Los procesos de manejo de tolvas y los mezcladores IBC encuentran aplicaciones especialmente en los sectores farmacéutico, alimentario y de alimentación infantil. Ofrecen gran flexibilidad y pueden abrir la puerta a diferentes configuraciones de fabricación. Se utiliza una única estación de mezcla, pero pueden emplearse varios contenedores para aumentar la productividad. Mientras se mezcla una tolva, otra puede estar llenándose y otra descargándose. De este modo, se optimiza la ocupación del sistema. Además, el dosificado puede realizarse de formas innovadoras, como trenes de dosificación, o incluso el movimiento de los contenedores puede llevarse a cabo mediante Vehículos Guiados Automatizados (AGV). Mediante el uso de válvulas específicas, el llenado y la descarga pueden realizarse de manera higiénica sin derramar material.

Figura 2: Proceso típico de un mezclador IBC de tolva

Acceso al mezclador

El acceso al mezclador suele ser bastante fácil en el caso de los mezcladores rotativos. De hecho, al no haber agitador en el interior del mezclador, la inspección y la limpieza entre lotes son relativamente sencillas.

Los bidones son muy fáciles de acceder, mientras que las tolvas IBC pueden ser más difíciles de manejar en el caso de contenedores grandes, ya que es necesario alcanzar la parte superior de la tolva para acceder a la escotilla. Por esta razón, es posible encontrar en el mercado estaciones de limpieza de tolvas IBC, ya sean en seco o en húmedo.

Válvulas de entrada y descarga

Para diseños clásicos como mezcladores bicónicos o en "V", las válvulas suelen ser de mariposa, en ocasiones incluso manuales, y la descarga puede realizarse directamente a un saco o hacia la siguiente etapa de procesamiento.

En el caso de los tambores, generalmente no hay válvulas; el operario simplemente abre la tapa e inclina el tambor hacia la siguiente etapa de procesamiento. Cabe destacar, sin embargo, que cada vez más proveedores ofrecen ahora salidas cónicas para tambores equipadas con válvula, simplificando así las manipulaciones.

Estos son para contenedores IBC (*Intermediate Bulk Container*), en los que recientes desarrollos han incorporado 2 tipos de válvulas disponibles en el mercado (y múltiples diseños dentro de cada categoría, según el fabricante): **válvulas cónicas** y **válvulas de mariposa partidas**. Ambos tipos buscan abordar los siguientes desafíos: realizar el acople del contenedor IBC a la estación de llenado o descarga de la manera más automatizada posible, y contar con un sistema hermético que evite la emisión de polvo durante el proceso.

Instrumentación

Dado que el mezclador gira, no hay instrumentación conectada a la parte rotativa (nivel, etc.). Sin embargo, la estación de mezcla está equipada con distintos instrumentos:

• Sensor de velocidad, si es requerido
• Jaula de seguridad equipada con cerraduras: es obligatorio mantener a cualquier persona alejada del mezclador durante su rotación y evitar que este arranque cuando la jaula esté abierta.
• Las partes activas de las válvulas de descarga (en caso de válvulas cónicas o de mariposa partida) también pueden estar instrumentadas.

ATEX

Los mezcladores rotativos son favorables desde el punto de vista ATEX, ya que no hay equipos rotativos dentro del mezclador. No obstante, debe considerarse la posibilidad de fugas durante la rotación para definir la clasificación ATEX del área.

5. Problemas comunes en mezcladores de lecho

¿Cómo mejorar la mezcla en mezcladores de tambor?

Tabla 1: problemas comunes en mezcladores de lecho

Problema	Recomendación
Tiempo de mezcla excesivo	Tamaño del lote demasiado grande: reducir la cantidad de producto Velocidad de mezcla incorrecta Secuencia de llenado incorrecta
Capacidad insuficiente	Revisar el tiempo de mezcla Considerar varias estaciones de volteo en paralelo

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Fuentes

«Mixing in the Process Industries», Harnby, Edwards, Wienow, Butterworth Heinemann, 1992
«Food Mixing: Principles and Applications», Cullen, Wiley-Blackwell, 2009
«Perry's Chemical Engineer's Handbook», McGraw Hill, 2008