1. ¿Por qué se segregan los polvos?

¿Qué es la segregación de polvos o sólidos a granel?

La dificultad de mezclar se debe principalmente a las diferencias en los tamaños de partícula. Si el rango de tamaños de partícula dentro de una mezcla es alto, tomará más tiempo alcanzar la homogeneidad óptima de CV (coeficiente de variación), y el valor del CV será mayor que para una mezcla con partículas de tamaños similares.

Por el contrario, una mezcla compuesta por partículas de diferentes dimensiones tenderá siempre a separarse, agrupando las partículas de un tamaño en una zona y las partículas de otro tamaño en otra zona. Este fenómeno se denomina segregación o desmezcla. Cabe señalar que toda mezcla industrial estará compuesta por partículas de diferentes dimensiones, lo que significa que todas las mezclas estarán sujetas a desmezcla en las etapas de procesamiento posteriores al mezclador y que la segregación limitará naturalmente la homogeneidad que puede alcanzarse en un mezclador dado.

La segregación es función del tamaño, densidad, forma y resiliencia de las partículas. Pero, como se mencionó anteriormente, el factor primario es el tamaño de las partículas y, más específicamente, la diferencia de tamaños entre las partículas de la mezcla [2]. La proporción en la que la diferencia en el tamaño de partícula causa problemas de segregación varía según los autores; de hecho, en la literatura [3] [4] se puede encontrar, como regla general, que la segregación será un problema para una relación de tamaños de partícula > 1.3, > 3 o > 5.

La forma de las partículas es interesante: si las partículas tienen formas complejas que generan entrelazamiento entre sí, y por lo tanto una mala fluidez, serán difíciles de mezclar. Pero una vez mezcladas, el efecto de entrelazamiento reducirá la segregación en comparación con lo que ocurre con materiales de flujo libre.

2. ¿Cuáles son los mecanismos de segregación?

¿Cómo ocurre la desmezcla de polvos?

Existen principalmente 5 mecanismos que conducen a la segregación [1] [2]

Efecto de segregación	Explicación
Segregación por percolación	Cuando la mezcla se mueve, los huecos entre las partículas grandes se abren y las partículas pequeñas pueden pasar por debajo. La repetición del movimiento permite que las partículas pequeñas se concentren en la parte inferior de la mezcla, mientras que las gruesas quedan en la parte superior. Operaciones unitarias típicas que generan este mecanismo de desmezcla: llenado y descarga de un silo, caída libre de polvo en un montón dentro de un silo o contenedor
Segregación por flotación	Las partículas grandes flotan sobre el lecho de sólidos. Esto se debe a la vibración de la mezcla, que permite que las partículas pequeñas fluyan hacia los espacios debajo de las partículas grandes. Operaciones unitarias típicas que generan este problema: tamices vibrantes (si no se operan correctamente, con demasiado producto en la malla, el fenómeno se verá incrementado), silos con fondos vibrantes, mesas vibrantes de Big Bags
Segregación por transporte	Durante el transporte en un flujo de gas, las partículas de diferentes tamaños están sujetas a fuerzas distintas y, por lo tanto, adoptarán trayectorias diferentes, lo que conduce a la segregación. Es el gas en una línea de transporte neumático , por ejemplo, donde las fuerzas de arrastre no se aplicarán de la misma manera en partículas grandes y pequeñas, lo que lleva a diferentes velocidades de transporte. Al recibir el material en una línea de transporte, por ejemplo en un silo, la inercia de las partículas dependerá de su tamaño y adoptarán trayectorias diferentes, lo que generará cierta segregación.
Elutriación	Este fenómeno es similar al anterior, pero debe considerarse en el caso de materiales en caída libre: los finos (generalmente menores a 50 micras) permanecerán en suspensión en el aire más tiempo que las partículas gruesas y finalmente caerán sobre el polvo o se adherirán a las paredes de la tubería o tolva.
Segregación por agglomeración	Puede ocurrir que algunos componentes formen grumos. Estos aglomerados crearán falta de homogeneidad en la mezcla, ya que localmente concentrarán gran cantidad de material de un solo tipo. Puede ser el caso, por ejemplo, cuando se desprende material acumulado en las paredes de un silo y cae en una mezcla. Un ejemplo típico es el de un fabricante de alimentos que vende sobres que contienen grumos; el cliente entonces percibe inmediatamente la falta de homogeneidad.

Todos los fenómenos anteriores pueden conducir a la falta de uniformidad en los polvos.

3. Segregación en mezcladores

Entre los diferentes tipos de mezcladores, los de tipo difusivos y los de cizalla provocarán segregación en partículas de flujo libre con diferentes tamaños.

Los mezcladores difusivos son particularmente sensibles a este fenómeno, ya que también serán propensos a la segregación con polvos cohesivos; incluso pueden promover la agglomeración. Algunos diseños, como tener patas asimétricas en un mezclador en V (una pata más larga que otra), o un mezclador bicónico con un cono descentrado, pueden ayudar a minimizar el fenómeno de segregación al evitar flujos simétricos de partículas en el mezclador que promueven la segregación.

Los lechos fluidizados neumáticos, por su parte, serán sensibles a las diferencias de densidad entre partículas.

4. Buenas prácticas

¿Cómo evitar la desmezcla de polvos?

Como se explicó anteriormente, los fenómenos de segregación ocurrirán. La pregunta aquí es, por lo tanto, más bien cómo minimizar los efectos en lugar de evitarlo por completo.

Para minimizar la desmezcla, si tiene la posibilidad de diseñar un nuevo proceso, es reducir al mínimo el número de etapas del proceso desde el mezclador hasta el punto de uso (llenadora, o dosificación para procesamiento adicional). Ubique el mezclador de manera que pueda reducir el número de operaciones unitarias, evitando especialmente la caída libre (y aún más las superficies inclinadas sobre las que el polvo pueda rodar), el transporte mecánico, el transporte neumático... de modo que se pueda mantener la uniformidad del polvo. También puede ser ventajoso, en mezcladores equipados con un agitador, operar el mezclador a baja velocidad (importante para evitar riesgos de explosión de polvo) durante la descarga, para evitar que se deposite una capa de finos sobre el

Algunas fuentes en la literatura [1] sugieren humedecer el polvo para fijar las partículas entre sí y alcanzar un grado de agglomeración; esto está lejos de ser aplicable en todas las situaciones. Si los tamaños de las partículas son drásticamente diferentes, se debe verificar si la reducción de tamaño es una posibilidad (etapa demolienda de algunos componentes antes de la mezcla).

En general, se deben evitar los tolvas de flujo en embudo. Un consejo es que el diseño de los silos como flujo másico permitirá, hasta cierto punto, remezclar los componentes en la salida del silo (pero si el producto simplemente se vierte desde el silo en un montón, se desmezclará nuevamente).

Finalmente, la elección del mezclador es muy importante, ya que algunos mezcladores podrán superar más fácilmente la tendencia a la separación de las partículas y alcanzar una buena uniformidad en la mezcla. Este es el caso de los mezcladores de paletas de doble eje.

Fuentes

[1] "Manual del Ingeniero Químico de Perry" (Perry's Chemical Engineer's Handbook)
[2] "Principios de Tecnología de Polvos", Martin Rhodes et al, Wiley
[3] "Respuestas a algunas preguntas comunes sobre mezcla", Kaye, PBE
[4] "Respuestas a 10 preguntas comunes sobre la mezcla por