1. Introducción a las Mezclas Industriales

Las mezclas son el resultado de una de las operaciones más comunes en la mayoría de las industrias químicas, especialmente en las transformadoras (cosméticos, detergentes, etc.). La química transformadora es aquella que, partiendo de los productos procedentes de la industria básica, fundamentalmente petroquímica, produce unos productos de primera transformación con una utilidad inmediata y que suele sustituir a los productos naturales ya existentes.

Química de las disoluciones: Incorporación de dos o más disoluciones con diferente concentración en un mismo recipiente (tanque o depósito de mezclado) para obtener una nueva disolución (mezcla) con una nueva concentración, diferente a las concentraciones de las disoluciones que han participado en la mezcla.

2. Procedimiento de Preparación de Mezclas

Cuando se procede a la preparación de una determinada mezcla en una industria química, se debe garantizar que se alcanzan los estándares de calidad exigidos, bien por la normativa específica del producto que se fabrica, bien por las propias exigencias del cliente, o bien por cualquier otra normativa de rango superior que afecte al producto. La mejor manera de garantizar que la mezcla se prepara según los parámetros de calidad deseados es dejar por escrito unos procedimientos que describan con precisión la secuencia de operaciones que se deben poner en práctica. De este modo se consigue que siempre se produzca bajo unos parámetros de calidad uniformes.

Etapas del Procedimiento

• Recepción de materias primas.
• Preparación de mezcla.
• Almacenamiento / Expedición.

3. Operaciones de Mezclado: Agitación vs. Mezclado

El mezclado es una de las operaciones unitarias más usadas a nivel industrial. El éxito de muchas de estas operaciones depende de la efectiva agitación y mezcla de fluidos (líquidos y gases), sólido-sólido o sólido-fluido. Aunque con frecuencia se les confunde, la agitación y el mezclado no son sinónimos. Se trata de un error bastante frecuente, pero son conceptos que presentan diferente significado.

• Agitación: Es el movimiento inducido de un material en un patrón circulatorio dentro de un recipiente mediante medios mecánicos.
• Mezclado: Es la distribución aleatoria de dos fases inicialmente separadas, como un fluido y un sólido pulverizado o dos fluidos de distinta densidad, hasta que ambas se distribuyan al azar entre sí.

Diferencias Clave entre Agitación y Mezclado

La operación de mezclado busca la máxima interposición de las partículas de los componentes de un sistema para lograr uniformidad en todo el volumen de la mezcla, generalmente con un medio mecánico. La operación de agitación tiene como objetivo ejercer fuerza sobre las partículas de un fluido para generar movimientos violentos con una determinada velocidad y trayectoria, transportándolas dentro del volumen de mezcla. Con la repetición de estas fuerzas, las partículas se mantienen en movimiento, favoreciendo el mezclado. Por lo tanto, el mezclado es consecuencia de la agitación. Aunque están relacionadas y dependen entre sí, el mezclado puede ocurrir sin agitación, y la agitación puede darse sin buscar exclusivamente la mezcla.

La preparación de cualquier mezcla en una planta química se realiza mediante una operación de mezclado, definida como una operación unitaria en un equipo de mezclado, donde se ponen en contacto partículas de dos o más componentes para lograr la máxima interposición posible, principalmente mediante medios mecánicos.

Factores que Condicionan el Proceso de Mezclado

Cuando se lleva a cabo un proceso de mezclado, la selección de los equipos e instrumentos viene condicionada por:

• Las características del tipo de mezcla que se quiere preparar.
• Las variables de las materias primas que se incorporan en el equipo de mezclado.

Clasificación de Mezclas Industriales por Estado

Básicamente, los tipos de mezclas que se preparan a nivel industrial mediante operaciones de mezclado se pueden clasificar en los siguientes cinco grandes grupos:

• Mezclas en estado líquido.
• Mezclas en forma de suspensiones.
• Mezclas en estado semisólido.
• Mezclas en estado sólido.
• Mezclas de gases.

Objetivo de una Operación de Mezclado Óptima

Una operación de mezclado debe tener como objetivo conseguir la máxima uniformidad posible de los componentes que constituyen la mezcla en cualquiera de los puntos de esta. Esto se consigue con un correcto diseño de todo el proceso:

• Selección de materias primas.
• Introducción de tanques de premezcla.
• Diseño óptimo del equipo de mezclado.
• Selección de los instrumentos de agitación.
• Control y optimización de las variables del proceso: temperatura, tiempo, velocidad, agitación, etc.

La máxima interposición posible logra que estas mezclas presenten un elevado grado de uniformidad a escala macroscópica en lo que se refiere a su comportamiento a la hora de aplicar o utilizar el producto.

4. Tipos de Mezclas: Homogéneas y Heterogéneas

Se llama mezcla a la combinación de al menos dos sustancias que, juntas, continúan manteniendo sus propiedades y en las que dicha unión no causa ninguna reacción química. Pueden ser separadas a partir de métodos físicos o mecánicos.

Mezclas Homogéneas

Es aquella en la que sus componentes están mezclados de forma tal que es imposible diferenciarlos a simple vista; se la conoce bajo el nombre de disoluciones. El soluto, es decir, la sustancia que se disuelve, ya sea en estado sólido, líquido o gaseoso, se dispersa en el disolvente en partículas de tamaño muy reducido. Esto trae como consecuencia la conformación de una mezcla homogénea a nivel molecular.

Mezclas Heterogéneas

Presentan al menos dos fases diferenciadas. Conocidas con el nombre de suspensiones (sólido-líquido), poseen moléculas de gran tamaño, de tal forma que algunas pueden percibirse por el ojo humano, y emulsiones (líquido-líquido) inmiscibles. Estas mezclas no son uniformes, y el disolvente se encuentra en mayor proporción que el soluto. Ejemplo: arena y agua.

5. Teoría del Mezclado: Etapas del Proceso

Una mezcla con apariencia uniforme es el resultado de un proceso estructurado en varias etapas, por el que se produce una interposición de las partículas de todos los componentes, siguiendo normalmente un determinado patrón.

Etapas del Proceso de Mezclado

Se puede dividir en las siguientes etapas:

• Dosificación/Incorporación: Las partículas se encuentran totalmente separadas, por lo que se agregan en un mismo equipo de mezclado con el objetivo de que puedan entrar en contacto unas con otras.
• Dispersión: Las partículas de los distintos componentes, que en un principio se encontraban rodeadas por partículas iguales, empiezan a interponerse entre ellas, gracias a la acción de los medios mecánicos del equipo de mezclado.
• Homogeneización: Se logra que la distribución de las partículas de todos los componentes que forman parte de la mezcla, alcance un mismo patrón en todo el volumen.

Tipos de Homogeneización

• Mezcla ordenada perfecta (3a): Misma distribución.
• Mezcla aleatoria perfecta (3b): Se distribuyen totalmente al azar, pero de manera que al tomar una muestra, la probabilidad de encontrar las partículas de un determinado componente es igual a la proporción a la que se encuentra dicho componente en la muestra.

En las etapas 1 y 2 representadas se puede aplicar a la preparación de todas las clases de mezclas citadas (líquidas, suspensiones, semisólidas y sólidas).

En la etapa 3, el grado de homogeneización que se alcanza a escala microscópica en las mezclas de estado líquido mencionadas en el apartado 7.1 se puede afirmar que se corresponde con el de una mezcla homogénea, mientras que las suspensiones y mezclas en estado semisólido se caracterizan por su evidente heterogeneidad, en las que las partículas de los componentes se distribuyen sin seguir ningún patrón. Cuando se alcanza el final de la etapa 3 de homogeneización, se llega al punto en el que se obtiene la mezcla con las características óptimas; es necesario detener el proceso en el momento adecuado para no favorecer la segregación de las partículas de la mezcla.

Nota sobre la Segregación

La segregación es el proceso contrario al de mezclado, es decir, la separación de los componentes de la mezcla (se separan las partículas). Este proceso puede ocurrir durante o después del mezclado por diferencias en la forma, tamaño y densidades de los componentes del lecho de mezclado. Por esta razón, una vez obtenida una mezcla homogénea, se debe evitar el exceso de manipulación del material.

La homogeneidad del producto final depende del equilibrio alcanzado entre los mecanismos que favorecen o dificultan el mezclado, que dependen a su vez del equipo de mezclado, de las condiciones de funcionamiento del mismo, de las condiciones de operación (secuencia de adición de los componentes, tiempo de mezclado, nivel de llenado, etc.) y de las características de los materiales a mezclar (estado de agregación, tamaño, formas y distribución de las partículas, propiedades, etc.).

El objetivo principal de la teoría del mezclado será predecir el tiempo necesario para efectuar la mezcla de una carga dada en un depósito determinado y la potencia necesaria durante el proceso.

6. Grado de Mezcla y Homogeneidad

El grado de homogeneidad de la mezcla se refiere al grado de homogeneización que se alcanza durante una operación de mezclado. El objetivo es minimizar la desviación que existe entre la mezcla real preparada y uno de los patrones ideales, porque cuanto menor sea esa desviación, se puede afirmar que se ha conseguido un mayor grado de mezcla.

En la figura 7.2 se representa la mezcla de dos componentes que, en la etapa de dosificación, se encuentran en una proporción del 80 % y 20 % respectivamente. Tanto a la izquierda como a la derecha (patrones a y b) se representan dos distribuciones al azar que pueden encontrarse al final de la etapa de homogeneización.

La distribución de partículas al azar en el caso a presenta una mayor desviación con respecto al patrón aleatorio perfecto, ya que las fracciones de la zona superior presentan porcentajes muy inferiores al 20% del componente minoritario, y en cambio, las fracciones de la zona inferior presentan porcentajes muy superiores al 20%. Esto se traduce en un grado de mezcla no muy elevado. Sin embargo, la distribución de partículas en el caso b sí que presenta un grado de mezcla elevado porque la gran mayoría de muestras que se tomen presentarán una proporción del componente minoritario bastante próxima al 20%, es decir, la desviación con respecto al patrón perfecto es mucho menor.

El grado de mezclado óptimo se debe garantizar que cuando se toma del equipo de mezclado una fracción igual a la que contiene el producto final comercializado, la proporción de los componentes se corresponde con la esperada en la composición. Es en esta situación cuando se puede afirmar que se ha obtenido un grado de mezcla óptimo (cuanto más parecido sea el patrón real al perfecto, más óptimo será el grado de mezclado).

7. Mecanismos de Mezclado

• Difusión: Diferencia de concentraciones, más lenta, se obtiene una mejor interposición.
• Convección (movimiento de masas de partículas): Las partículas se desplazan en forma de grupos de partículas. Se produce como consecuencia, principalmente, de la aplicación de fuerzas externas, mediante medios mecánicos, que generan movimiento de los grupos de partículas. También puede deberse a la existencia de gradientes de temperatura.
• Cizalla o mecanismo de cizallamiento: Considerado una variante del mecanismo por convección. En el mezclado por cizallamiento, también se desplazan grupos de partículas como en el convectivo, pero con la peculiaridad de que lo hacen siguiendo planos de desplazamiento localizados debido a la aplicación de fuerzas externas siguiendo un patrón opuesto (se desplazan las masas con respecto a la otra).

8. Factores Clave del Material en el Mezclado

• Forma y rugosidad de partículas: Las formas esféricas y ovaladas fluyen más fácilmente, mientras que las formas rugosas y fracturadas fluyen poco y las aciculares (en forma de aguja) forman un enrejado que dificulta el flujo (sin aristas).
• Tamaño de partícula: A menor tamaño de las partículas, las fuerzas de cohesión aumentan; idealmente, todas las partículas a mezclar deben tener un mismo tamaño (cuanto más pequeña la partícula, más se disocia).
• Proporción de cada componente: Uno de los métodos que se utilizan para garantizar un buen mezclado es hacerlo de forma gradual. Lo que se hace es mezclar el componente minoritario con una pequeña proporción del componente mayoritario; una vez que se ha homogeneizado, se siguen agregando pequeñas proporciones del componente mayoritario.
• Densidad: La diferencia de densidad de los componentes disminuye la estabilidad de las mezclas, aunque afecta en menor medida que el factor del tamaño de partículas (cuanto más parecido sea, más miscible).
• Fuerza electrostática: Hace que se separen las partículas, por lo tanto, ocurre una segregación.
• Higroscopicidad: Es la tendencia de atraer agua, pudiendo causar dificultades en el mezclado.
• Adhesividad: Causada por la segregación debido a que alguno de los ingredientes puede quedarse pegado a las paredes de las tolvas, sin que llegue a dispersarse en la mezcla (dificulta el mezclado).

9. Índice de Mezclado

Un índice de mezclado es un parámetro calculado a partir de datos experimentales que permiten valorar de un modo cuantitativo el grado de mezcla, es decir, sirve para cuantificar el grado de homogeneidad de la mezcla (nos dice cuán distinto es el patrón real del perfecto). En una distribución totalmente aleatoria ideal, la probabilidad de encontrar un componente en una muestra es igual a su proporción en la mezcla, lo que indica una mezcla perfecta con un índice de 1. Sin embargo, en mezclas reales siempre hay desviaciones respecto a este ideal.

10. Rendimiento del Proceso de Mezclado

Rendimiento del proceso de mezclado = Kg/h por 100

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