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Mezcla en seco continua

Mezcla continua de polvos / Homogeneización continua de polvos

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Resumen de la sección
1. Introducción
2. Principio de la mezcla en seco continua
3. Mezcladores para mezcla en seco continua
4. Alimentación en mezcla en seco continua
5. Control de sistemas de mezcla en seco continua
6. Aplicaciones de la mezcla en seco continua

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1. Introducción

Al pensar en mezcla en seco, los primeros procesos que suelen venir a la mente son los procesos por lotes con la mezcla realizada muy a menudo con configuraciones simples. Sin embargo, también es posible diseñar un proceso de mezcla continua. Tal proceso difiere en muchos aspectos de su competidor por lotes y requiere un diseño muy cuidadoso , pero puede aportar ventajas decisivas en términos de compacidad, estabilidad y capacidad.

2. Principio de la mezcla continua

¿Qué es la mezcla continua de polvos?

En la mezcla en seco continua, los diferentes componentes sólidos que forman la mezcla deben alimentarse de manera continua al mezclador, y una cantidad equivalente de mezcla debe extraerse continuamente por el otro extremo.

Figura 1: Diagrama de bloques de un proceso de mezcla en seco continua

Pueden alimentarse al mezclador tantos componentes como sean necesarios mediante alimentadores por pérdida de peso, hasta el límite del espacio disponible en la distribución de la instalación. El mezclador opera bajo el principio de flujo en pistón, pero debe permitir, no obstante, cierto grado de mezcla inversa para compensar las imprecisiones de dosificación de los Alimentadores por Pérdida de Peso (LIWF, por sus siglas en inglés). Existen, de hecho, 2 efectos de mezcla que deben combinarse para alcanzar un grado adecuado de homogeneidad : mezcla radial y mezcla axial.

• Mezcla radial: la mezcla ocurre de manera radial; podemos imaginar que el mezclador está dividido en pequeñas celdas en cuyo interior se produce la mezcla. El producto se mueve de una celda a otra hasta el extremo final del mezclador.

• Mezcla axial: un flujo en pistón perfecto dentro del mezclador continuo, con solo mezcla radial, no es recomendable. En efecto, a diferencia de un mezclador por lotes, una fuente importante de variabilidad son los ligeros cambios en el caudal de los alimentadores por pérdida de peso. Puede ocurrir que un alimentador entregue temporalmente más o menos flujo en comparación con el punto de ajuste; si solo ocurre mezcla radial, algunas celdas de mezcla pueden quedar con una cantidad significativamente menor o mayor de un componente en particular, lo que lleva a un coeficiente de variación (CV) muy elevado. Un grado de mezcla axial, o mezcla inversa, permitirá transferir parte de la mezcla de una celda a otra y suavizar la variabilidad debida a la dosificación, logrando así un mayor grado de mezcla.

3. Mezcladores para mezcla continua

¿Qué mezcladores pueden utilizarse para mezcla continua?

En la industria pueden encontrarse los siguientes diseños para realizar mezcla continua:

Descripción de mezcladores continuos

Tipo de mezclador
Mezcladores de cinta helicoidal (éstos suelen ser diseños antiguos, menos aplicados hoy en día)	Estos mezcladores operan a un número de Froude (Fr) Fr < 1. El diseño de cinta es capaz de mover el material en diferentes direcciones para lograr un efecto de mezcla. Algunos fabricantes proponen disponer de una herramienta de mezcla compuesta por 2 hélices que giran a diferentes velocidades para obtener una mejor mezcla.
Mezcladores de paletas de eje único	Operan a un número de Froude más elevado y permiten un tiempo de mezcla más corto que los mezcladores de cinta. Se logra una fluidización en el mezclador. El nivel en el mezclador puede ajustarse fácilmente gracias a una placa de rebose ubicada al final del mezclador.
Mezclador de paletas de doble eje	Operan a Fr = 1.1 con una zona fluidizada entre los 2 ejes de mezcla. El diseño es similar al de los mezcladores de paletas por lotes, pero están equipados con una placa al final de la zona de mezcla que permite definir el nivel de producto en el mezclador y, por lo tanto, el tiempo de residencia.
Mezclador de rejas o vertedera	El diseño es similar al de los mezcladores por lotes, pero cuenta con una salida específica para la extracción continua de producto.

Nota: Los enlaces anteriores dirigen a páginas relacionadas con la versión por lotes de los mezcladores, aunque el diseño y el principio de mezcla son, en definitiva, muy cercanos a las versiones continuas.

3.1 Tiempo de residencia

El tiempo de residencia en la mezcla continua suele ser muy corto debido al tamaño de la máquina y a los principios de mezcla utilizados. Los tiempos de residencia típicos son del orden de 10 s a 1 min, variando según la tecnología de mezcla y el tipo de mezcla.

3.2 Capacidad

El volumen de retención de un mezclador continuo suele ser muy bajo en comparación con su equivalente por lotes necesario para alcanzar la misma capacidad en t/h. La capacidad de diseño puede dimensionarse desde unos pocos litros por hora en aplicaciones farmacéuticas (10 l/h) hasta varios miles de litros por hora en procesamiento químico o alimentario (800,000 l/h).

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los sistemas continuos, una vez dimensionados e instalados, no son muy flexibles y deben operarse cerca de su capacidad de diseño.

3.3 Ajustes

Las líneas de mezcla en seco continua pueden operarse principalmente mediante 2 parámetros de proceso: la velocidad del mezclador y el tiempo de residencia.

Parámetro	Efecto
Velocidad de mezcla	La velocidad del agitador definirá la intensidad de la mezcla y tendrá un efecto en la homogeneidad, pero también impactará en el producto (rotura o degradación).
Tiempo de residencia	El tiempo de residencia se ajusta en la mayoría de los mezcladores mediante una placa ubicada al final del mezclador, la cual define el nivel de producto en el mezclador y, por lo tanto, el tiempo de residencia en función de la tasa de alimentación. Un tiempo de residencia corto dará menos tiempo para la mezcla y resultará en un mayor coeficiente de variación (CV). Optimizar el tiempo de residencia permitirá obtener la máxima capacidad con la mejor eficiencia de mezcla y el menor impacto en el producto.

Figura 2: Mezclador continuo para polvos secos y ajuste del tiempo de residencia

4. Alimentación en mezcla en seco continua

¿Cómo dosificar polvos de manera continua?

Alimentadores de pérdida de peso continuos deben utilizarse para dosificar el polvo hacia una mezcla seca continua. El diseño e instalación de estos alimentadores es de importancia crítica para la estabilidad del proceso y la calidad de la mezcla obtenida. En efecto, las celdas de carga del alimentador no deben ser perturbadas por ningún equipo circundante, el flujo dentro del alimentador debe ser regular y el rellenado debe realizarse rápidamente para reducir el tiempo en que el sistema opera en modo volumétrico.

4.1 ALP (Alimentadores de Pérdida de Peso) instalación

Los alimentadores de pérdida de peso deben instalarse sobre una estructura estable, es decir, una losa o una estructura de acero robusta, que no transmita vibraciones generadas en otros puntos de la instalación. Deben utilizarse mangueras flexibles especiales antes y después del alimentador para permitir su movimiento libre y, por lo tanto, una medición precisa del peso mediante las celdas de carga. Todos los cables conectados al alimentador deben instalarse de manera que estén lo suficientemente sueltos para no generar tensión —empuje o tracción— sobre el alimentador.

Cuando se utilicen múltiples alimentadores, puede instalarse un embudo posicionado sobre el mezclador para recolectar el polvo de los distintos alimentadores y dirigirlos hacia la entrada del mezclador. Si solo se usan 2-4 alimentadores, pueden alimentar directamente al mezclador a través de diferentes puertos de entrada al inicio del mismo.

Figura 3: Disposición típica de alimentadores para mezcla seca continua – vista superior

El mezclador debe estar muy bien ventilado para evitar cualquier contrapresión hacia el alimentador. Aunque existan compensadores de presión mecánicos o electrónicos, siempre es preferible evitar efectos de presión en el sistema.

4.2 Rellenado de ALP

Debe diseñarse e instalarse un sistema para rellenar el alimentador. Dado que los alimentadores controlan su velocidad mediante la pérdida de peso a lo largo del tiempo, este control no es posible cuando se carga polvo al mezclador, ya que el peso aumenta. El alimentador entonces cambia a un modo volumétrico de velocidad fija, que es considerablemente menos preciso que la alimentación gravimétrica. Para mantener una buena precisión promedio con el tiempo, es crítico que el rellenado se realice muy rápidamente. En la mayoría de los casos, 30 segundos para un rellenado parece ser el máximo, y los rellenados no deben ser demasiado frecuentes para que el alimentador pueda dosificar en modo gravimétrico durante el 85-90% del tiempo.

Para lograr un rellenado tan rápido, debe posicionarse una tolva sobre el alimentador, con un tubo de caída corto, y en la mayoría de los casos solo una válvula de mariposa para iniciar y detener la descarga. La tolva debe diseñarse para permitir un flujo muy bueno, evitando tiempos de espera entre la demanda de rellenado y el flujo real del producto. Si no es posible diseñar la tolva para evitar puentes o conductos preferenciales (*ratholing*), deben instalarse ayudas de descarga.

La ventilación del alimentador es crítica para garantizar que el rellenado sea rápido y que no se genere acumulación de presión que deba ventilarse mientras el alimentador haya vuelto al modo de pérdida de peso, lo que perturbaría las celdas de carga y generaría imprecisiones en el flujo.

4.3 Control de ALP

Los alimentadores de pérdida de peso controlan la velocidad del equipo de dosificación (muy a menudo un tornillo sinfín) midiendo la pérdida de peso a lo largo del tiempo y comparándola con el punto de ajuste. Los fabricantes han desarrollado algoritmos para filtrar posibles perturbaciones en las celdas de carga, que suelen ocurrir en entornos industriales. Sin embargo, estos filtros solo son eficaces para perturbaciones menores, por lo que sigue siendo importante seguir las buenas prácticas en la instalación de alimentadores. Al detectar una gran variación, el alimentador cambiará a modo volumétrico en un intento por mantener una precisión de dosificación razonable, pero la perturbación debe ser muy breve para que este método sea efectivo.

5. Control del proceso de mezcla seca continua

¿Cómo controlar un proceso de mezcla en seco?

A diferencia de un proceso por lotes, un mezclador continuo experimentará regímenes transitorios durante el arranque o cada vez que se modifique un parámetro del proceso. El sistema de control debe ser capaz de gestionar estas fases de transición y, posiblemente, desviar la mezcla para reprocesamiento al inicio, cuando la mezcla aún no es óptima.

Es crítico monitorear los alimentadores de pérdida de peso y definir ciertos límites aceptables en la variación de su caudal. Si alguno de los alimentadores de pérdida de peso no puede mantener su punto de ajuste durante cierto tiempo, el sistema debe generar una alarma y, posiblemente, detener la línea de mezcla seca. Estos niveles aceptables deben calcularse en función de la composición requerida de la mezcla o definirse mediante experiencia.

Analogía con extrusoras

Cabe señalar que el proceso de mezcla seca continua es, en cierto modo, muy similar al uso de extrusoras : es necesario dosificar y controlar el flujo de los materiales hacia la extrusora; esta mezcla los componentes y tiene mayor o menor retromezcla según el perfil utilizado en el eje, y el producto se descarga continuamente al final de la extrusora.

6. Aplicaciones de la mezcla seca continua

La mezcla seca continua de polvos tiene un amplio rango de aplicaciones en diversas industrias. La mezcla continua en las industrias alimentaria y farmacéutica ha ganado popularidad a lo largo de los años. En la industria alimentaria, se utiliza para la producción de alimentos tipo *snack*, productos horneados y mezclas para bebidas en polvo. En la industria farmacéutica, la mezcla continua puede emplearse para producir medicamentos, así como para mezclar ingredientes farmacéuticos activos con excipientes. Las líneas pequeñas de mezcla continua para aplicaciones farmacéuticas ofrecen ventajas en términos de validación de lotes, que está estrictamente controlada en el sector. Otras industrias que dependen de la mezcla seca continua incluyen la fabricación química, cerámica y materiales de construcción.

Perry, "Mezcla de sólidos"

Folleto de fabricantes

Experiencia del autor