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Mezcla en seco de polvos - Mezclador de cinta

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Resumen de la sección
1. Introducción
2. Principio de mezcla
3. Parámetros operativos de mezcla
4. Especificaciones detalladas
5. Dimensionamiento del mezclador
6. Problemas comunes en mezcladores de cinta
7. Guía de compra - Selección de mezcladores de cinta

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1. ¿Qué es un mezclador de cinta? Definición

Los mezcladores de cinta están compuestos por una carcasa en forma de "U" dentro de la cual gira un agitador. El agitador está diseñado como una doble hélice en cinta que permite generar un movimiento convectivo de los materiales en 2 direcciones, logrando la mezcla de polvos y sólidos a granel.

Los mezcladores de cinta son muy utilizados en industrias de proceso para la mezcla en seco de sólidos a granel. Mezcla. Aunque existen otros diseños de Mezcladores que superan el rendimiento de los mezcladores de cinta en ciertas áreas (velocidad de mezcla, diseño higiénico, etc.), los mezcladores de cinta siguen siendo una solución muy simple y robusta para mezclar materiales secos, ofreciendo un rendimiento de mezcla decente, suficiente para muchas aplicaciones. No es raro encontrar mezcladores de cinta industriales de 40-50 años en fábricas, aún plenamente operativos. Muchos fabricantes ofrecen mezcladores de cinta industriales, desde unos cientos de litros hasta varios metros cúbicos.

¿Para qué se usa un mezclador de cinta? Los mezcladores de cinta se utilizan en múltiples industrias y aplicaciones: farmacéutica, alimentaria y panadería, cosmética, plásticos, especias, mezclas para bebidas, cementos, morteros, café y té, tabaco, etc.

Esta página web se centra en el diseño detallado de mezcladores de cinta para ofrecer pautas de selección y compra a los operadores de mezcladores.

2. Principio de funcionamiento del mezclador de cinta

¿Cuál es el mecanismo de mezcla de un mezclador de cinta?

Los mezcladores de cinta son mezcladores convectivos. El movimiento de la mezcla se fuerza mediante la rotación de la cinta, que circula el producto en 2 direcciones: la cinta está compuesta por 2 partes, una cinta externa que circula el producto en una dirección, mientras que otra cinta ubicada en el interior de la primera mueve el producto en la dirección opuesta (puede haber perfiles aún más complejos para optimizar la eficiencia de mezcla y, por tanto, el tiempo de mezcla). Con un tiempo de mezcla suficiente, estos 2 movimientos axiales, combinados con cierto movimiento radial (las palas "cortan" el material al girar), permitirán alcanzar el grado de homogeneidad requerido. La torsión de la hélice debe ser estudiada por el fabricante para que la dirección en la que la cinta externa empuja sea hacia la válvula de salida del mezclador; de lo contrario, no se logrará una buena tasa de descarga del mezclador.

A diferencia de los mezcladores de paletas de doble eje , el polvo no se fluidiza en un mezclador de cinta. La velocidad óptima de mezcla es recomendada por el fabricante del mezclador; sin embargo, se pueden realizar pruebas a velocidades más altas o bajas (siempre que el accionamiento pueda soportar diferentes velocidades) para verificar su influencia en la calidad de la mezcla y las propiedades del producto (en general, una velocidad menor requerirá un tiempo de mezcla más largo, pero el producto puede sufrir menos daños).

Figura 1: Dibujo de un mezclador de cinta

3. Parámetros operativos de mezcla

¿Cómo alcanzar una buena homogeneidad con un mezclador de cinta?

En mezcladores de cinta, el tiempo de mezcla típico es de 3-5 min. Estos mezcladores tienen la reputación de no lograr tiempos de mezcla cortos, lo que lleva a algunos operadores a mezclar durante 10-15 min. Si la mezcla no tiene particularidades (inyección de líquido, etc.), un tiempo tan prolongado debería alertar al productor de que la operación del mezclador puede no ser óptima.

El rendimiento del mezclador, es decir, el tiempo para alcanzar la homogeneidad deseada, depende de los siguientes parámetros operativos:

• Tamaño del lote de mezcla: 70-80% del volumen total del mezclador. Visualmente, la parte superior de las palas debe estar ligeramente por encima del nivel del producto, y siempre debe haber un espacio libre ("head space") hasta la tapa superior. Es un problema muy común encontrar mezcladores de cinta sobrecargados, lo que reduce drásticamente su rendimiento. Cabe señalar que tampoco se recomienda llenar insuficientemente un mezclador de cinta, ya que el nivel del polvo debe alcanzar la cinta interna para ser movilizado y, por lo tanto, mezclado.
• Velocidad de mezcla : se debe seguir la recomendación del proveedor. La velocidad típica de mezcla para mezcladores de tamaño mediano (500-2000 l) es de aproximadamente 50 rpm (nótese que el número de Froude < 1 para mezcladores de cinta).
• Ingredientes menores y pequeños deben introducirse en el mezclador después de los ingredientes principales (o en "sándwich"), preferiblemente en la zona central del mezclador.

Figura 2: Volumen de mezcla recomendado y máximo en mezclador de cinta

Modelados recientes mediante Elementos Discretos (DEM) [Basinskas] de mezcladores de cinta han confirmado que los parámetros operativos clave que influyen en el grado de mezcla y, por tanto, en el tiempo de mezcla son:

• La velocidad de mezcla: una mayor velocidad de mezcla implica tiempos de mezcla más cortos.
• El nivel de llenado: un mezclador de cinta no debe llenarse por debajo de su capacidad; típicamente, si el nivel del polvo está por debajo del eje, el impacto en la calidad de la mezcla será muy alto.
• La secuencia de llenado: según las simulaciones, la mezcla axial en un mezclador de cinta no es tan eficiente (lo que es sorprendente, ya que las cintas deberían proporcionar cierto empuje axial), lo que significa que es mejor llenar el mezclador por capas en lugar de tener un lado del mezclador con algunos componentes y el otro lado con el resto de los componentes.

El movimiento de la cinta tiene un impacto significativo en el producto que se está mezclando. El empuje impuesto al producto, combinado con tiempos de mezcla no muy cortos, suele causar cierta rotura en los sólidos procesados.. La rotura significa que la Distribución de Tamaño de Partícula (PSD) cambiará, con la creación de partículas más pequeñas debido a la rotura de las más grandes. El impacto puede minimizarse validando el tiempo exacto requerido para la mezcla (Homogeneidad) y, por lo tanto, no mezclar más tiempo del necesario, y optimizando la velocidad de mezcla para mantenerla lo más baja posible. Sin embargo, se espera que la rotura sea mayor que en mezcladores de paletas de doble eje, por ejemplo.

Los mezcladores de cinta funcionan bien con polvos de flujo libre; debido a su modo de operación (empuje mediante un agitador rotativo), pueden ser menos efectivos con polvos cohesivos e incluso bloquearse si la mezcla es muy cohesiva.

La potencia requerida para un mezclador de cinta es bastante baja, en el rango de 3-5 kW/m³.

4. Diseño del mezclador de cinta - Especificaciones detalladas

Diseños de palas y arados

Algunos fabricantes han adaptado el diseño de sus mezcladores de cinta modificando el agitador mediante el uso de palas o arados. Estos diseños no deben confundirse con los mezcladores de paletas de doble eje ni con los mezcladores de cizalla / mezcladores de vertedera. Optar por un diseño de eje único con paletas puede ser ventajoso para materiales con flujo muy deficiente, materiales frágiles o si el tamaño del lote puede ser tan bajo como 15-20% del tamaño nominal del lote. Al usar arados, es posible lograr una mejor acción cerca de la pared del mezclador; sin embargo, no deben emplearse fuerzas centrífugas elevadas, reservándose estas para mezcladores de cizalla / vertederas, que poseen una carcasa cilíndrica, en contraste con el diseño en forma de "U" de los mezcladores de cinta helicoidal.

Acceso al mezclador

El acceso al interior de un mezclador de cinta para limpieza o mantenimiento no es muy sencillo, considerando que la cinta ocupa gran parte del espacio en el mezclador y tiene una forma compleja.

Las características de acceso más comunes en los mezcladores de cinta son las escotillas en la parte superior del mezclador, con la posibilidad, en algunos casos, de abrir completamente la tapa (tapa basculante o deslizante). Algunos fabricantes proponen sistemas de extracción para la cinta que permiten retirar toda la cinta; aunque es posible, esto incrementa el costo y la complejidad mecánica.

La apertura del mezclador debe ser detectada para evitar que este pueda arrancar, garantizando así la seguridad de los operarios que acceden al interior del mezclador. Los accesos deben estar protegidos por cerraduras que bloqueen la apertura cuando el mezclador está en funcionamiento y detecten cuándo ha sido abierto.

En aplicaciones higiénicas, es fundamental que la cinta esté completamente soldada para evitar cualquier pieza suelta que pueda incorporarse al producto. La dificultad de acceso para la limpieza implica que los riesgos de contaminación cruzada deben ser evaluados y gestionados adecuadamente por el operador de la instalación.

Válvulas de descarga

En el mercado se encuentran 3 tipos de válvulas de descarga, dependiendo de los proveedores y las necesidades del cliente.

• Válvulas de solapa simples: las válvulas de descarga tienen forma rectangular. Es el diseño más común.
• Válvula de descarga redonda higiénica: la válvula tiene forma redonda y, una vez cerrada, minimiza los huecos donde el producto puede acumularse y evitar ser mezclado, a diferencia del primer tipo de válvula, que presenta mayores huecos. Estas válvulas tienen un tamaño limitado, lo que puede aumentar el tiempo de descarga y, por lo tanto, reducir la capacidad del mezclador.
• Puertas de descarga tipo "bomb bay": el fondo del mezclador puede abrirse completamente mediante grandes solapas. La principal ventaja es que el tiempo de mezcla es muy corto (menos de 30 s) y que la cantidad de producto que permanece en el mezclador es muy baja. Sin embargo, se debe prestar atención al sellado de las puertas una vez cerradas, así como al acceso para la limpieza debajo de las mismas.

Dependiendo de la tecnología elegida, el mezclador descargará en una tolva que estará completamente conectada a las puertas de descarga, válvulas de solapa o que estará conectada mediante una tubería corta al mezclador (válvula redonda).

Instrumentación

En los mezcladores de cinta se puede encontrar la siguiente instrumentación:

• Sensor de velocidad: permite confirmar la rotación y la velocidad de los ejes.
• Sensores de temperatura: ubicados en los rodamientos, permiten detectar calentamientos anómalos debidos a rodamientos rotos.
• Caudalímetro: ubicado en el suministro de aire comprimido para el barrido de sellos de rodamientos. El barrido de sellos de rodamientos constituye una función importante para evitar la entrada de producto a los rodamientos, lo que podría dañarlos o hacer que el polvo se inflame, constituyendo una fuente de ignición que cause una explosión de polvo.
• Sensor de posición de válvula: permite detectar que la válvula de descarga está cerrada.
• Cerraduras de seguridad: colocadas en cada puerta de acceso, garantizan la seguridad de la máquina evitando que el operario acceda al mezclador mientras está en funcionamiento o que se ponga en marcha el mezclador si un punto de acceso está abierto.

ATEX - Riesgos de explosión de polvo en mezcladores de cinta

Para procesar polvos, los mezcladores de cinta, que mezclan con una velocidad en la punta de la herramienta de mezcla > 1 m/s, deben presentar las siguientes características para prevenir riesgos de explosión de polvo:

• El espacio libre entre la punta de las paletas y el cuerpo del mezclador debe ser lo suficientemente grande para evitar cualquier contacto entre la cinta y la carcasa.
• Los sellos de los rodamientos deben estar presurizados.
• Durante la carga y descarga, la velocidad del mezclador debe ser tal que la velocidad en la punta de las paletas sea < 1 m/s.

La velocidad en la punta de la cinta puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

Donde:
- R es el radio de la herramienta de mezcla (desde el centro del eje hasta la punta de la paleta) en m.
- n es la velocidad de mezcla en rpm.

Ecuación 1: Velocidad en la punta

Limpieza del mezclador de cinta (aplicaciones higiénicas como alimentación o farmacéutica)

Garantizar la limpieza e higiene de los mezcladores de cinta es fundamental en industrias como la farmacéutica, el procesamiento de alimentos y la cosmética, donde la pureza del producto es crítica. Los procedimientos adecuados de limpieza y saneamiento no solo cumplen con los estándares regulatorios, sino que también contribuyen a la longevidad del equipo y a la calidad del producto final.

Diseño accesible para una limpieza eficiente

El diseño de los mezcladores de cinta influye significativamente en la facilidad y eficacia del proceso de limpieza. Una limpieza óptima requiere componentes accesibles, grietas mínimas y superficies resistentes a la adherencia del producto. Seleccionar mezcladores de cinta con puntos de acceso bien diseñados, como escotillas en la parte superior, facilita una limpieza exhaustiva y reduce el riesgo de contaminación cruzada entre lotes.

• Evaluar características de diseño: Priorizar mezcladores de cinta con escotillas superiores, tapas basculantes o deslizantes, que permitan un acceso conveniente a los componentes internos.

• Evaluar propiedades de los materiales: Optar por mezcladores de cinta construidos con materiales resistentes a la adherencia del producto, asegurando una limpieza más fácil y minimizando el riesgo de material residual.

Medidas de seguridad durante la limpieza

La seguridad debe ser una consideración primordial durante las operaciones de limpieza. La implementación de características de seguridad, como cerraduras que eviten la apertura de puertas de acceso mientras el mezclador está en funcionamiento, protege a los operarios de posibles riesgos. Los sistemas de detección que señalan cuándo se abren los puntos de acceso contribuyen a un entorno de trabajo seguro.

• Instalar cerraduras de seguridad: Equipar los mezcladores de cinta con cerraduras de seguridad en cada puerta de acceso para evitar aperturas no autorizadas durante la operación. Esto puede realizarse mediante cerraduras electromecánicas (Schmersal, Steute...) o sistemas de llave atrapada (Fortress, Allen-Bradley...).

Consideraciones higiénicas

En aplicaciones donde la higiene es crítica, como en las industrias alimentaria y farmacéutica, es esencial garantizar un diseño higiénico. Las cintas completamente soldadas reducen el riesgo de que piezas sueltas contaminen el producto. Sin embargo, la complejidad de acceder a los componentes internos debe sopesarse frente a los riesgos potenciales de contaminación cruzada.

• Seleccionar cintas completamente soldadas: Optar por mezcladores de cinta donde las cintas estén completamente soldadas para eliminar piezas sueltas que puedan comprometer la integridad del producto.

• Evaluar desafíos de limpieza: Equilibrar los beneficios higiénicos de la soldadura completa con los desafíos asociados al acceso a los componentes internos para la limpieza. Emplear procesos adicionales de validación de limpieza cuando sea necesario.

Validación y documentación de la limpieza

Establecer un proceso robusto de validación de limpieza garantiza que los mezcladores de cinta cumplan con los estándares de limpieza requeridos. La documentación de los procedimientos de limpieza, incluyendo los materiales utilizados y la frecuencia de limpieza, contribuye al control de calidad y al cumplimiento de las normativas del sector.

• Desarrollar protocolos de validación de limpieza: Crear protocolos exhaustivos para la validación de la limpieza, especificando los métodos, materiales y criterios para una limpieza exitosa.

• Mantener documentación detallada: Llevar registros meticulosos de las actividades de limpieza, incluyendo fechas, agentes de limpieza utilizados y cualquier desviación de los procedimientos estándar. Esta documentación sirve como evidencia de cumplimiento durante inspecciones regulatorias.

5. Dimensionamiento de mezcladores de sólidos

El mezclador debe ser el cuello de botella de la instalación de mezcla, lo que significa que no debe verse ralentizado por las secciones del proceso aguas arriba o aguas abajo. La capacidad de la instalación debe ser un dato dado, y el tamaño del lote debe elegirse en consecuencia, considerando también un número estimado de lotes por hora.

Tamaño del lote (kg) = Capacidad (kg/h) / Número de lotes por hora (/h)

Dado que el proceso de mezcla es esencialmente volumétrico, es necesario conocer la densidad aparente (suelta) densidad de la mezcla para dimensionar correctamente el mezclador.

Tamaño del lote (l) = Tamaño del lote (kg) / Densidad suelta de la mezcla (kg/l)

Además, es crítico considerar que el sistema nunca debe llenarse al 100% de su capacidad, para permitir espacio al movimiento de las partículas.

Tamaño total del mezclador (l) = Tamaño del lote (l) / 0.7

Los mezcladores suelen tener un coeficiente máximo de llenado entre 0.65 y 0.8.

6. Problemas comunes con los mezcladores de cinta

Guía general de resolución de problemas para mezcladores de cinta

Los mezcladores de cinta suelen ser equipos fiables; sin embargo, cierto número de problemas pueden requerir correcciones:

Tabla 1: Problemas comunes con mezcladores de cinta

Problema	Causa raíz y acción
La cinta está bloqueada	Densidad demasiado alta del polvo: reducir la densidad / tamaño del lote. Iniciar el mezclador a baja velocidad durante el llenado y no detener el mezclador hasta la descarga.
Tiempo de mezcla demasiado largo	El mezclador está sobrecargado: reducir el tamaño del lote. Velocidad de mezcla demasiado baja: aumentar la velocidad de mezcla. Secuencia de llenado incorrecta: asegurarse de que los ingredientes menores se carguen entre los mayores; asegurarse de que los ingredientes se carguen formando capas a lo largo del mezclador y no se concentren en el lado izquierdo o derecho del mezclador antes de iniciar la mezcla.
Daños o rotura del producto	Tiempo de mezcla demasiado largo Velocidad excesiva

7. Guía de compra de mezcladores de cinta - Cómo seleccionar un mezclador de cinta

7.1 Compra de un nuevo mezclador de cinta

Al adquirir un nuevo mezclador de cinta para su fábrica, deben plantearse las siguientes preguntas para comprar las especificaciones correctas:

• ¿Cuál es el rendimiento esperado de la línea? ¿Cuál es la densidad del producto a mezclar? ¿Cuál es el tiempo de mezcla y el tiempo de ciclo esperado? Esto determinará el tamaño del mezclador de cinta a comprar. No olvide que el mezclador de cinta no debe llenarse a más del 80% de su volumen
• ¿Es una aplicación que requiere limpieza? Si es así, considere puertas de acceso en la parte superior del mezclador para limpieza y cerraduras de seguridad en los accesos.
• ¿La aplicación maneja un producto abrasivo? Si es así, consulte con el proveedor del mezclador de cinta la aleación en la que puede suministrarse el mezclador.
• ¿Qué tan rápido debe descargarse el mezclador? ¿Cómo? Esto le proporcionará los datos necesarios para la válvula de descarga.
• ¿Está en una zona ATEX ? Si es así, el mezclador debe estar certificado, el espacio libre entre paleta/carcasa debe estar garantizado, los sellos de los rodamientos deben estar presurizados y posiblemente su temperatura monitorizada.

7.2 Mezclador de cinta de segunda mano

En el mercado se pueden encontrar muchas mezcladoras de cinta usadas. Al buscar un mezclador de segunda mano, debe realizar las siguientes comprobaciones:

• ¿Se utilizó la mezcladora de cinta para una aplicación similar a sus necesidades?
• Busque daños en la cinta, rayaduras en el interior de la carcasa, mida la holgura entre la cinta y el alojamiento; no debe haber contacto metal-metal
• Ponga en marcha el mezclador, escuche los rodamientos y, si es posible, mida las vibraciones
• En caso necesario, ¿puede limpiarse el mezclador?
• ¿Puede modificarse la tapa para adaptarse a sus necesidades en cuanto a conexiones?
• No todas las cintas son equivalentes; si es posible, realice una prueba con producto para validar la homogeneidad y la degradación del producto durante la mezcla
• ¿La válvula de descarga es funcional?
• Pruebe toda la instrumentación que pueda acompañar al mezclador
• ¿El mezclador cumple con ATEX para el área que ha definido? Si no, ¿puede adaptarse para cumplirlo?

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Fuentes

Mezcla en las Industrias de Proceso (*Mixing in the Process Industries*), Harnby, Edwards, Wienow, Butterworth Heinemann, 1992
Mezcla de Alimentos: Principios y Aplicaciones (*Food Mixing: Principles and Applications*), Cullen, Wiley-Blackwell, 2009
Manual del Ingeniero Químico de Perry (*Perry's Chemical Engineer's Handbook*), McGraw Hill, 2008
[Basinskas] Estudio numérico de la eficiencia de mezcla de una mezcladora de cinta mediante el método de elementos discretos (*Numerical study of the mixing efficiency of a ribbon mixer using the discrete element method*), Basinskas et al, *Powder Technology*,  287 (2016) 380–394