MEZCLASMEZCLAS

MEZCLAS : “operación unitaria en la que a partir de uno operación unitaria en la que a partir de uno o más componentes, dispersando uno en el o más componentes, dispersando uno en el otro, se obtiene una mezcla uniforme”otro, se obtiene una mezcla uniforme”

Usualmente:Usualmente:

Componente mayoritario Fase continuaFase continuaComponente minoritario Fase dispersaFase dispersa

Finalidad Básica:Conseguir determinadas propiedades funcionales o

características organolépticas.

MEZCLAComposición (que se mezcla)Composición (que se mezcla)

Concentración (cuanto de cada uno)Concentración (cuanto de cada uno)

Expresión de la concentración

Peso

Volumen

Brix

Baumé

Alcohólicos

Mezcla de sólidos

Mezcla de líquidos

Mezcla de sólidos con

líquidos

Formas de expresión más comunes:

ComposiciónComposición

a)a) en peso (masa)

b)b) en volumen (V1 +V2+.......+Vn=VT)

ConcentraciónConcentración

a)a) % en peso

b)b) % en volumen :Normalmente (%A)V = VA x100 VA+VB+...+Vn

(%B)V = VB x100 VA+VB+.... Vn

SELECCIÓN DE UN EQUIPO MEZCLADOR.SELECCIÓN DE UN EQUIPO MEZCLADOR.SÓLIDO SÓLIDO (mov. rotación y traslación)LÍQUIDO LÍQUIDO ( agitadores o bombeo)PASTOSOS PASTOSOS (agitadores o brazos)

EL PROCESO DE MEZCLA REQUIERE GENERALMENTE DE 2 O MÁS OPERACIONES RELACIONADAS

1.- Mezcla: Unificación de dos o más líquidos o sólidos en forma homogénea.2.- Dispersión: Mezcla de dos o más componentes inmisibles3.- Disolver: Hacer que un sólido se convierta en líquido.4.- Desintegración: Reducción del tamaño del sólido en combinación con un líquido u otro sólido.5.- Emulsificación: Dispersión de un líquido en otro6.- Granulación: Mezcla de un sólido y un líquido para formar un aglomerado.

1.- Mezcla de Sólidos1.- Mezcla de Sólidos

Masa (generalmente en % peso)

Reducción de tamaño por molienda (mayor contacto)

2.- Mezcla de líquidos2.- Mezcla de líquidos miscibles Ej. rebajar o concentrar vino, leche, vino

no miscibles O/W (crema) f. Dispersa

W/O (mantequilla) f. continua

3.- 3.- Mezcla de sólidos y líquidos

(Ej. salmuera o almíbar)

Sólido solubilizado en el líquido :Solución Verdadera (partículas con < 1mµ)

Sólido NO solubilizado en el líquido :Suspención (partículas con > 1mµ)

Dispersión coloidal : (partículas con entre 1mµ y 1mµ)

Formas más comunes de expresión:Formas más comunes de expresión:

% peso Peso del soluto x 100 :(g soluto / 100 g solución) Peso de solución

% volumen Peso del soluto x100 : (g soluto/ l de solución) ó (kg./m3) Volumen de solución

4.- Mezcla de gas con líquido o gas con sólido.4.- Mezcla de gas con líquido o gas con sólido.

gas / líquido f. dispersa f. continua

gas / sólidof. dispersa f. continua

ESPUMASESPUMAS

FINALIDAD DE LA MEZCLAFINALIDAD DE LA MEZCLA

1.- Mezcla física sencilla Líquidos miscibles : Glucosa + agua

Sólidos con sólidos : Harinas

2.- Mezcla con cambio físico Disolución : NaCl + H2O Precipitación : Azúcar Evaporación : Destilación Extracción : M. G. Desde sólidos Floculación : proteínas (TCA)

3.- Dispersión Líquidos inmiscibles : Mayonesa (LIQ - LIQ) Sólidos con líquidos : (salsas, jugos aglomerados) Gases con líquidos

4.- Suspensión Fluidos con sólidos finamente divididos : leche, pinturas

DENSIDAD COMPACTADA

• Presión estática•Compactación mecánica•Vibración mecánica

Factores que aumentan la densidad

POROSIDAD () : fracción de volumen no ocupado por partículas o material sólido y se puede expresar:

= 1- G / R

T.O.M.:(Tiempo óptimo de mezclado)

1.- consumo de energía

2.- Desgaste de equipos

3.- Homogeneidad del producto

MEZCLA COMPLETA: Situación en que todas las muestras contienen los

componentes en las mismas proporciones que en la mezcla global.

EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA AGITACIÓN Y MEZCLAEQUIPOS UTILIZADOS PARA LA AGITACIÓN Y MEZCLA

a) MEZCLADORES DE FLUJO

b) PALETAS ( o PALAS) : (Cortas, Largas, Ancla (baja r.p.m. < 150)

c) ROTATORIOS : Hélice, Turbina, Cono (alta r.p.m. >500)

d) BURBUJEO

1.- MEZCLADORES DE FLUJOS O CORRIENTES:1.- MEZCLADORES DE FLUJOS O CORRIENTES:

a) Chorros:

Combinación de 2 tipos de sustancias impulsadas a presión (generalmente gasas o líquidos)

2 boquillas en ángulo agudo descargan al centro de la tubería que transporta la mezcla

Ej. mezcla de gases para soldar

b) Inyectores: b) Inyectores:

Un tubo principal y un orificio auxiliar por el cual se inyecta un 2° elemento (gases-gases; gases-líquidos; líquidos- líquidos)

La masa auxiliar debe ingresar a mayor velocidad de flujo que la de la masa principal

Ej. Quemadores de petróleo, leche en polvo, jugos.

c) Bombas centrifugasc) Bombas centrifugas: :

Generalmente mezcla de líquidos inmiscibles y para mezcla simple

Rápidas (tiempo de retención menos de 2 seg.)

Provocan gran turbulencia

2.- MEZCLADORES DE PALETAS2.- MEZCLADORES DE PALETAS

Una o más serie de brazos horizontales montados en un eje vertical (la mayoría)

Producen estratificación (el material ubicado frente a la paleta avanza más rápido que el que está entre paletas.

Requieren mayor energía que los de hélice o turbina.

Cortas : disoluciones y dispersiones

Paletas Largas: varias series de brazos masas viscosas y mezcla

densa 7000 poise

Ancla

Se usan contrapalas para evitar formación de remolinos

3.- 3.- MEZCLADORES ROTATORIOSMEZCLADORES ROTATORIOS

a) De Hélice:a) De Hélice:

Equipos diseñados para mezclas a alta revolución (300 a 1000 r.p.m.) y viscosidad no superior a los 2000 centipoises (portátil: 5 HP; fijo: 50 HP).

Gran turbulencia cerca del rodete.

Flujo generalmente axial pero junto a las paredes es tangencial.

Líquidos bastante fluidos, dispersiones poco viscosas (sólido en líquido); pequeña cantidad de soluto.

Para grandes espesoresPara grandes espesores: 2 o más rodetes en el eje con diferente ángulo para que una suba y la otra baje.

Hélices de tres hojas Hélice dentada

Propulsor hoja lisa”

Propulsor con sierra

Propulsor disco simple

Turbina en disco

Propulsor de hoja en

punta

Hélice Propulsor lamina fina en

fluidos

Turbina lanzadora de

hojas

Algunos agitadores de turbina típicos

MOVIMIENTOS MOVIMIENTOS (O CORRIENTES)(O CORRIENTES) PROVOCADAS POR LA AGITACIÓN) PROVOCADAS POR LA AGITACIÓN)

FLUJO AXIALFLUJO AXIAL (paralela al eje, longitudinal)

FLUJO RADIALFLUJO RADIAL (perpendicular al eje)

FLUJO ROTATORIOFLUJO ROTATORIO (tangencial)

b) Agitadores de Turbina:b) Agitadores de Turbina:

Cuatro hojas montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio.

Proporcionan gran velocidad a las partículas (trabajan a velocidad media a alta).

Esencialmente son rodetes de bomba centrifuga sin carcasa.

Poco consumo; flujo radial.

Líquidos viscosos

Suspensión de sólidos densos

Disoluciones rápidas.

Agitadores de PaletaAgitadores de Paleta(a) Pala Plana: producen acción de mezcla suave, ; para mezclas sencillas (Ej.

líquidos miscibles).

(b) Agitador de reja: Para líquidos más viscosos.

(c) Agitador de ancla: Promueve la transmisión de calor y minimiza la formación de depósitos en los tanques con camisa (Limpian las paredes del tanque)

(d) Palas de giro opuesto

Pala Plana Agitador de reja Agitador de ancla Palas de giro opuesto

MEZCLADORAS PARA PRODUCTOS SÓLIDOS SECOSMEZCLADORAS PARA PRODUCTOS SÓLIDOS SECOS

Mezcla de sólidoMezcla de sólido:en general se considera producida por tres mecanismos básicos:

1) Convección: transporte de productos o grupos de partículas de un punto a otro.

2) Difusión: transmisión de partículas individuales de un punto a otro.

3) Cizalle: creación de planos de resbalamiento dentro de la mezcla.

Propiedades que influencian la mezcla: tamaño, forma y densidad de la partícula; flujo, fragilidad, humedad y tendencia a aglomerarse

1.-MEZCLADORAS DE VOLTEO1.-MEZCLADORAS DE VOLTEO

Voltean la masa de los sólidos en un tambor giratorio

Más adecuadas para la mezcla suave de polvos de características similares.

2.-MEZCLADORAS DE 2.-MEZCLADORAS DE CUBETA HORIZONTALCUBETA HORIZONTAL

Compuestas

Para operaciones exigentes se puede utilizar una mezcla de

cintas

3.- MEZCLADORAS DE 3.- MEZCLADORAS DE TORNILLO VERTICALTORNILLO VERTICAL

Tornillo vertical giratorio situado en un recipiente cilíndrico o

cónico.

Útil para mezclar pequeñas cantidades de aditivos en una

gran masa de producto

4.- MEZCLADORA DE LECHO 4.- MEZCLADORA DE LECHO FLUIDIZADOFLUIDIZADO

Deben poseer buenas características de fluidización.

Efectivos para sólidos características de sedimentación

de partículas similares

MEZCLADORAS PARA PASTAS DE GRAN VISCOSIDAD Y SÓLIDOS PLÁSTICOS

1.-MEZCLADORAS DE BANDEJA

a) Mezcladoras de bandeja estacionariaa) Mezcladoras de bandeja estacionaria: los elementos de mezcla se mueven a lo largo de una trayectoria planetaria, llegando con ello, a todas partes del recipiente de mezcla estacionario.

b) Mezcladora de bandeja giratoriab) Mezcladora de bandeja giratoria: Los elementos de mezcla también giran, pero sólo en una posición siempre cerca de la pared del tanque.

Observación: Con el fin de inducir movimiento vertical y la acción de mezcla deseada, las hojas suelen ser dobladas

2.-MEZCLADORAS DE CUBETA HORIZONTAL (amasadoras, dispensadoras, masticadoras).

Compuesta por una par de hojas pesadas que giran sobre un eje horizontal dentro de una cubeta cuyo fondo tiene forma de silla de montar.

Produce amasado y cizallamiento. La hoja más común es la forma en Z o elemento de hoja en sigma.

3.-MEZCLADORAS CONTINUAS PARA PASTAS

Se utilizan una gran variedad de dispositivos para amasar y mezclar continuamente sustancias viscosas.

La forma más común es forzar el producto a través de una serie de obstrucciones (ej. placas perforadas, rejillas de hilo, parrillas, etc.) por medio de un transportador de tornillos sencillo o doble.

Los productos son amasados y cizallados

Ejemplo: en fabricación de mantequilla y margarina..

C) C) Otros agitadores:Otros agitadores:

•De disco o cono:De disco o cono: para mezclas de viscosidad relativamente pequeña.

La circulación del líquido se produce por la diferencia de fuerza centrifuga originada entre las 2 bases del tronco del cono y como consecuencia de

su diámetro diferente.

Se usa para mezclas muy espesas

.

FACTORES FÍSICOS EN LAS MEZCLASFACTORES FÍSICOS EN LAS MEZCLAS

La unidad C.G.S. De la viscosidad es el POISE

F= A dV / dS

F = fuerza ejercida tangencialmente sobre un plano de área A que produce en su punto de aplicación, una gradiente de velocidad dV / dS perpendicular a dicho plano (se denomina esfuerzo de corte).

= 1 poise si F = 1 dina y cuando A = 1 cm² y dV / dS = 1 (cm / seg) / ( cm)

En alimentos es más común emplear el CENTIPOISE (0.01 POISE)

La unidad inglesa de viscosidad es lb/ pie seg= 0.0672 poise.

•PLASTICIDAD: (diferente a la viscosidad)

Al aplicar una fuerza a un material o mezcla debe alcanzarse un punto (“límite de fluencia) antes de que se produzca el deslizamiento.

•TIXOTROPÍA: (fluidos no newtonianos)

La viscosidad decrece instantáneamente con el aumento de velocidad.

•INTENSIDAD O GRADO DE AGITACIÓN:

Potencia suministrada a cada unidad de volumen del líquido. La ecuación dimensional del grado de agitación es:

ML² T-3 = ML-1 T-3 (sistema MLT)

L³

F

Límite de fluencia(esfuerzo inicial)

Intensidad de desplazamiento dr / ds

PLÁSTICOS D

E

BINGHAM

PSEUDOPLÄSTICO

S

FLUIDOS

NEWTONIA

NOS

DILATANTE

S

FLUIDOS NO NEWTONIANOS

a) FLUIDOS VISCOSOS:Su comportamiento no depende del tiempo de operación (poseen comportamiento típico permanente)

-Plásticos de Bigham (margarina, chocolates, suero de leche, etc.)

- Pseudoplásticos:soluciones acuosas con espesantes

- Dilatantes: Pastas de almidón

b) FLUIDOS ELASTICOS: Su comportamiento depende del tiempo de operación

- Fluidos Tiotrópicos: su viscosidad aparente disminuye con el tiempo de operación. Si se suprime F la viscosidad aumenta más.

- Fluidos Reopecticos: su viscosidad aparente aumenta con el tiempo de operación

c) FLUIDOS VISCOELÁSTICOS: su comportamiento es intermedio entre a) y b).

CONSISTENCIA: CONSISTENCIA: RESISTENCIA DE LA MEZCLA A FLUIR O A DESLIZARSE.

““VISCOSIDAD APARENTE”VISCOSIDAD APARENTE”

La viscosidad aparente de una mezcla o consistencia de un material newtoniano se mantiene constante durante el proceso. El no newtoniano varía considerablemente con la modificación de la velocidad de agitación.

•Densidad de la mezcla y densidad relativa de cada fase (sedimentación)Densidad de la mezcla y densidad relativa de cada fase (sedimentación)

--Determina la potencia del agitador. Afecta la mezcla en líquidos no newtonianos

•Grado de HumectaciónGrado de Humectación

- Aire ocluido

-Aglutinación de las partículas

-Tensión superficial del líquido ( e interfacial)

•Reacción térmica de la mezcla Reacción térmica de la mezcla

-Efecto exotérmico - Efecto endotérmico

•Apariencia de la mezclaApariencia de la mezcla

- - Macroglóbulos se distinguen 2 fases Part. > 1 µ blanco - lechoso 1 a 0.1 µ blanco - azulada 0.1 a 0.05 µ gris semitransparente < 0.05 µ Transparente

•Proporción y orden de adición de los componentesProporción y orden de adición de los componentes

Fase interna Fase externa

Agua ( 4 : 1 ) Aceite mezcla más viscosa que el aceite

Aceite (4 : 1 ) Agua mezcla cremosa y espesa

Soluciones verdaderas Dispersiones coloidales Suspensiones

Partículas no visibles conultramicroscopio

La luz refractada por laspartículas es visible U - M

Visibles con microscopiocomún

Tamaño < 1mμ Entre 1 mμ - 0.1 μ Tamaño > 1mμ

No forman geles Forman geles No forman geles

Transparentes Transparentes o Translucidas Opacas

Intenso movimiento cinetico Menor movimiento cinetico y >mov. Browmniano

Poco movimiento

Alta presión osmótica Poca presión osmótica No tienen presiónosmótica

COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISICAS DE LOS COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FISICAS DE LOS DISTINTOS SISTEMAS SÓLIDO - LÍQUIDODISTINTOS SISTEMAS SÓLIDO - LÍQUIDO

FACTORES QUE CONDICIONAN LAS CARACTERÍSTICAS DE UN AGITADOR

•Equipo:Equipo: agitador y depósito (tipo de agitador, dimensiones, ubicación y posición del agitador, forma y dimensión del depósito, presencia de baffles)

•SistemaSistema: agitado si es líquido: viscosidad, densidad, tiempo.

Si es sólido: superficie específica, tamaño.

•Efecto pretendidoEfecto pretendido: invariables

•Tiempo programado para el objetivoTiempo programado para el objetivo

•Potencia para la acción.Potencia para la acción.

POTENCIA EN LA AGITACIÓN DE LÍQUIDOSPOTENCIA EN LA AGITACIÓN DE LÍQUIDOS

•Mediante análisis dimensional y comparación de criterios de similitud (de potencia necesaria)

Teoría de la semejanzaTeoría de la semejanza

•Geométrica ( forma: DA,DT,H,C,S,L,W.J)

•Dinámica (N, P, g)

•Consumo de energía en la formación de ondas (N° Froude)

GUIA PARA SELECCIONAR UN EQUIPO AGITADORGUIA PARA SELECCIONAR UN EQUIPO AGITADOR

a) Factores que influencian la agitación

b) Selección del tipo y velocidad del agitador

b.1 Tiposb.1 Tipos

b.2 Presencia de baffles b.2 Presencia de baffles (cortacorrientes)

b.3 Velocidad de rotación b.3 Velocidad de rotación para un mismo efecto los agitadores más pequeños giran más rápido

b.4 Tamaño y número de palasb.4 Tamaño y número de palas : flujos

Base: Los agitadores imparten energía cinética al líquido en forma de flujo másico o turbulencia.

La potencia requerida aumenta con la viscosidad

Con alta viscosidad emplear agitadores grandes y con baja velocidad

Al mezclar líquidos inmiscibles, la interfase inicial debe quedar cerca del agitador

Al mezclar líquidos con gases, el ingreso de estos últimos debe ser por la parte inferior del líquido

Si los sólidos flotan, emplear un agitador que produzca vórtice.

CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS DE AGITACIÓNCARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS DE AGITACIÓN

a) Mezcla y depósitos de agitación: válido para recipientes verticales, cilíndricos con fondos planos, ligeramente redondos o cónicos.

a.1) Razón de profundidad del líquido a diámetro del depósito (razón de llenado)

( H / DT ) = 0.5 y 1.5

a.2)Forma del fondo: circular o redondo consumen menos potencia.

a.3)Aspereza de las paredes: asperezas consumen > potencia (turbulencia local )

a.4) Dimensiones del depósito: Altos, debe instalar 1 agitador por cada de longitud.

b) Diametros y tolerancias de agitadores ( C / DT):

b.1) Tolerancia entre el agitador y el fondo del depósito

(Razón) Paletas: 0.1 - 0.4 con del depósito

(Tolerancia) Anclas: 1-1.5 pulgadas

b.2) Diámetro del agitador:

Paletas : Dpal ½ DT

Turbinas: Dtur ½ DT

Anclas : Danc = DT - 2 x tolerancia

c) Accesorios

4 baffles (cortacorrientes) verticales, c/u= 1/10 del del depósito

INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO DE LOS AGITADORESINTRODUCCIÓN AL CÁLCULO DE LOS AGITADORES

Los factores que condicionan las características de un agitador y la Los factores que condicionan las características de un agitador y la operación de mezcla son:operación de mezcla son:

•Sistema agitador: tipo, dimensiones, velocidad, posición del agitador, forma, dimensiones del depósito, dimensiones de los cortacorrientes, etc.

•Sistema agitado: a) del líquido: viscosidad,densidad, temperatura

b) del sólido: superficie específica, tamaño del grano (reparto de tamaños), forma de los granos, etc.

C) del sólido y del líquido: cantidades relativas, relación de densidades, tensión interfacial.

•Efecto pretendido con el agitador.

•Tiempo en que se quiere obtener invariables

•Potencia puesta en juego

ECUACIONES QUE RIGEN LAS MEZCLASECUACIONES QUE RIGEN LAS MEZCLAS

Ecuaciones netamente empíricas por las numerosas variables del proceso y la infinidad de materiales. Por lo tanto es imposible establecer ecuaciones teóricas para regir este proceso.

Para mezclas de líquidos existen relaciones que permiten determinar el consumo de energía, a través de la siguiente ecuación:

Po = K ( Re) (Fr)

Po = Número de potencia = P / L5 N3Re = Número de Reynolds= N L2 / Fr = Número de Froude = N L2 / gN = Frecuencia de rotación de la hélice (r.p.m.)L = Diámetro de la hélice ( L ) = Densidad del líquido (ML-3) = viscosidad del líquido (ML-1 T-1)K = constante de proporcionalidad que depende del equipo.g = aceleración de gravedad ( LT-2)

Además las variables relacionadas con el diseño.X = altura de las hélices (Agitador) sobre el fondo.B = Ancho de las paletasD = Diámetro del depósitoH = nivel del líquido

•REYNOLDSREYNOLDS: cuociente entre las fuerzas de inercia y de viscosidad

Longitud * Velocidad lineal * Densidad = L * NL* = N L2 / Viscosidad

•FROUDE: El cociente NFROUDE: El cociente N22L / g = Número de FroudeL / g = Número de Froude

El Número de Froude relaciona los efectos de las fuerzas gravitatorias, y sólo es importante cuando la hélice afecta la superficie del líquido. Por debajo de Re 300, Froude posee poco efecto y por lo tanto puede no considerarse.

Los cocientes (D/L) (H/L) (B/L) (X/L), representan condiciones de semejanza geométrica, tomando siempre el mismo módulo L. Si existe semejanza geométrica entre el modelo y el prototipo, los cocientes se eliminan.

Velocidad lineal = NL ; Longitud = L ;Densidad = ;Viscosidad =

VARIABLES QUE PUEDEN AFECTAR EL SISTEMA

• Potencia para accionar el agitador

•Velocidad de rotación del rodete

• Diámetro del rodete

•Ancho de las paletas

•Altura del agitador sobre el fondo

•Densidad del líquido

•Viscosidad del líquido

•Altura del nivel del líquido

•Diámetro del depósito

•Aceleración de gravedad

P

N

L

B

X

µ

H

D

g

ML2T3

T-1

L

L

L

ML-3

ML-1T-1

L

L

LT-2

Estas variables se agrupan formando grupos adimensionales para expresar:

1) La semejanza dinámica (Nº de Reynolds)

2) La semejanza de consumo de energía en la formación de ondas (Nº de Froude)

3) La semejanza geométrica

C’’( P / N2L3 µ) = C’ ( NL2 / µ) (N2L/g) (D/L) (H/L) (B/L) (X/L) = P / N3L5

NL2 / µ = N° de Reynolds (Cociente entre las fuerzas de inercia y la viscosidad)

P / N2L3 µ y P / N3L5 = N° de potencia (representan 2 formas de comparar los parámetros de semejanza)

N2L/g = N° de Froude

(D/L), (H/L) , (B/L) y (X/L) = condiciones de semejanza geométrica.

•NUMERO DE POTENCIANUMERO DE POTENCIA P y P

N2 L3 µ N3 L5

Ambas expresiones adimensionales representan 2 formas de comparación de parámetros de semejanza.

La ecuación general de semejanza referida al número de Potencia P / N3 L5 ρ , queda:

P / N3 L5 = K’ NL2 L5 µ

Esta ecuación se valora llevando a un sistema de coordenadas logarítmicas los valores obtenidos (Número de Potencia en función de los Números de Reynolds

La ecuación de 1,2 y 3 son:

1) P / N3 L5 = K1 (µ / NL2 ) 1 P = K1 N3L3 µ Re < 50

2) P / N3 L5 = K2 (µ / NL2 ) 0.15 P = K2 N2.85L4.7 µ 0.15 0.85 Re <50

3)P / N3 L5 ρ = K3 (µ / NL2 ) 0 P = K3 N3L5 Re < 50 con

cortacorriente

Como no se conoce K1 ;K2 ;K3 estas fórmulas sólo sirven para comparar sistemas de idéntica naturaleza y condiciones; y con semejanza geométrica.

N° depotencia

1

2

3

N° de Reynolds