La molécula de agua tiene carácter dipolar. Tiene propiedades especiales de humectación y disolución. Al humedecer un polvo con agua, las partículas suelen tender a formar aglomerados.
Factores para la humectación eficaz del polvo en el proceso de mezclado
En muchas industrias, los materiales a granel se humedecen habitualmente con una amplia variedad de líquidos. A primera vista, humedecer una superficie sólida con un líquido parece trivial, por ejemplo cuando la lluvia golpea el suelo o una pieza forjada calentada se enfría en agua. En cambio, mojar sólidos en polvo es mucho más complejo:
- Los polvos tienen una superficie específica muy grande.
- Tienen estructuras capilares pronunciadas.
- También tienen superficies de partículas diferentes (heterogéneas).
Estos factores determinan la velocidad de humectación y la penetración en los poros. En la práctica, esto provoca a menudo efectos indeseables:
- Se forman aglomerados o grumos indeseables.
- El líquido no se distribuye homogéneamente en el colectivo de partículas
- El polvo humedecido tiene malas propiedades de fluidez
- Se producen acumulaciones en la mezcladora, lo que interrumpe el proceso.
Por lo general, estos problemas pueden resolverse fácilmente con las mezcladoras amixon®. En casos más difíciles, sin embargo, puede ser útil visualizar algunas relaciones físicas.
La humidificación del polvo puede provocar una contaminación no deseada de la mezcladora
Dependiendo de la viscosidad y la tendencia a la adherencia del líquido, pueden formarse depósitos en las paredes y las herramientas de mezcla. Un alto nivel de llenado de la cámara de mezcla contrarresta esta situación, ya que el polvo seco actúa como medio absorbente. Resulta ventajoso pulverizar el líquido en la zona inferior de la cámara de mezcla.
El tipo de entrada de líquido es decisivo para evitar la adherencia. Deben evitarse los gradientes de concentración elevados. Por este motivo, amixon® utiliza lanzas pulverizadoras con boquillas adecuadas. El caudal del líquido depende de la capacidad de adsorción del polvo y de la intensidad de mezcla. Una mayor velocidad relativa entre el flujo de gotas y el de partículas favorece la dispersión fina. Este efecto puede describirse mediante el número de Weber.
We = ρ v² d / γ
ρ ... densidad del líquido
v ... velocidad relativa de las gotitas con respecto al polvo
d ... diámetro característico de la gota
γ ... tensión superficial
El número de Weber relaciona las fuerzas de inercia de una gota con las fuerzas estabilizadoras de la superficie. Los valores altos favorecen la ruptura de las gotas y, por tanto, una distribución más uniforme en el polvo. Por el contrario, los valores bajos favorecen las gotas grandes que tienden a adherirse a las superficies de las paredes o a las herramientas de mezcla.
La adherencia en la mezcladora es indeseable. El resultado de la mezcla puede distorsionarse. Además, las acumulaciones tienden a multiplicarse de un lote a otro y a desprenderse sin control cuando se presenta la ocasión. Las incrustaciones aumentan la fricción en el proceso de mezcla, generan un calentamiento localizado y, en casos extremos, pueden bloquear las herramientas. El método óptimo de aplicación del líquido puede determinarse en el centro técnico de amixon® en condiciones realistas.
La lanza de líquido pulveriza en la zona de mayor movimiento relativo. El líquido se distribuye intensamente en el polvo.
amixon® mezclador cónico para lotes de 3 m³.
¿Cómo de líquida es la superficie del polvo? ¿Cuál es la capilaridad del polvo?
La afinidad de un polvo con un líquido viene determinada por la energía superficial de sus partículas y por su estructura capilar. Ambas variables controlan la facilidad con la que el líquido avanza o retrocede. Una medida física adecuada para ello es la presión capilar. Describe la fuerza con la que un líquido es atraído hacia los poros e intersticios del polvo.
Δp = (2 γ cos θ) / r
Δp es la presión capilar.
γ es la tensión superficial del líquido.
θ es el ángulo de contacto entre el líquido y la superficie del polvo.
r es el radio capilar efectivo en el polvo.
Una tensión superficial elevada y un ángulo de contacto pequeño generan una presión capilar elevada. Como resultado, el líquido es aspirado rápida y profundamente en los poros de las partículas. En cambio, los ángulos de contacto grandes reducen considerablemente la presión capilar. En este caso, el líquido permanece principalmente en la superficie de la partícula. Los radios capilares pequeños aumentan el «efecto de succión» del capilar.
Explicación de la imagen:
a) Baja tensión superficial, b) Alta tensión superficial, c) Líquido que refluye, d) Líquido que avanza, e) El líquido se inyecta en la zona de turbulencia del remolino (boquilla monosustancia), f) El líquido se pulveriza microfino y el polvo se fluidifica (boquilla bisustancia).
Capilaridad del polvo y tensión superficial del líquido
La capilaridad del polvo y la tensión superficial del líquido influyen en la facilidad con la que el líquido penetra en los poros de las partículas. Si la tensión superficial es baja, el líquido moja espontáneamente la superficie de las partículas. También penetra en los capilares finos. En cambio, si la tensión superficial es alta, la presión capilar es baja. El líquido permanece en la superficie y no llena suficientemente los poros.
Esto se aplica tanto a las partículas individuales como a las cavidades de un colectivo de partículas. En este caso, la distribución uniforme del líquido sólo es posible si el polvo se mezcla intensamente. Las partículas deben frotarse intensamente.
La humectación homogénea de un polvo no es trivial
Cuando están secas, las partículas están muy juntas. Hay aire entre ellas. Estas cavidades cambian constantemente durante la mezcla. Si se añade un líquido, hay que desplazar el aire de los poros. Inicialmente, el líquido forma una fina capa de adsorción alrededor de las partículas. Esta capa suele adherirse firmemente y sólo puede eliminarse por evaporación.
A medida que aumenta la proporción de líquido, se forman puentes capilares en los puntos de contacto. Esto permite que las partículas se combinen. Así comienza la granulación por acumulación. A medida que se añade más líquido, se llenan cavidades más grandes. Una vez que todos los capilares están llenos, el polvo está saturado. Entonces se convierte en una suspensión. La penetración del líquido en los capilares puede describirse mediante la ecuación de Washburn.
L² = γ * r * t * cos(θ) / (2 * η)
L es la profundidad de penetración
γ es la tensión superficial
θ es el ángulo de contacto
η es la viscosidad
r es el radio capilar
t es el tiempo.
Un ángulo de contacto pequeño y una viscosidad baja favorecen la penetración. En cambio, una viscosidad elevada o las superficies hidrófobas la ralentizan. La humectabilidad depende de la microestructura de las partículas. La rugosidad modifica el ángulo de contacto aparente. Esto se describe en la relación de Wenzel
cos(θW) = rf * cos(θ)
θW es el ángulo de contacto aparente en una superficie rugosa
rf es el factor de rugosidad.
Las superficies heterogéneas tienen un comportamiento diferente. En este caso se aplica la ecuación de Cassie-Baxter:
cos(θCB) = f₁ * cos(θ₁) + f₂ * cos(θ₂)
θCB es el ángulo de contacto aparente en una superficie mixta
f₁ y f₂ son las fracciones de área de los distintos tipos de superficie
La absorción instantánea puede producirse con baja tensión superficial y alta afinidad. El líquido disponible se absorbe inmediata y completamente. Esto puede tener un efecto negativo en la calidad de la mezcla. Por ello, en estos casos el líquido debe pulverizarse más lentamente y de forma especialmente fina. Si el líquido se añade por debajo del nivel del material a granel, también se evita la condensación en la cámara de mezcla. Las herramientas y la cámara de mezcla permanecen limpias. Cada gramo de líquido se distribuye en el polvo sin pérdidas.
Sistema de partículas que se humedecen durante la mezcla.
Antecedentes físicos de la adhesión y la formación de películas
Desgraciadamente, muchos parámetros del material no están disponibles en la práctica. Determinarlos experimentalmente lleva mucho tiempo. No obstante, resulta útil conocer la ecuación de convección de Marangoni. Las películas líquidas se mueven cuando su tensión superficial cambia localmente. Incluso pequeñas diferencias de temperatura o concentración pueden desencadenar la formación de películas.
Ma = ((dγ/dT) * L * ΔT) / (μ * α)
Ma es el número de Marangoni
γ es la tensión superficial
ΔT es la diferencia de temperatura
µ es la viscosidad dinámica
α es la difusividad térmica
L es la longitud característica
La tendencia a la adherencia aumenta especialmente cuando se producen diferencias locales de temperatura o concentración durante la humectación. En este caso, lo decisivo no es el nivel absoluto de temperatura, sino la amplitud de los gradientes. Por tanto, los procesos de mezcla en frío tienen un efecto estabilizador porque mantienen la viscosidad alta y minimizan los flujos de Marangoni. Los valores Ma elevados dan lugar a películas líquidas inestables.
Otro mecanismo relevante es la adhesión de películas líquidas finas. En este caso, el modelo Johnson-Kendall-Roberts describe la fuerza de adhesión entre dos partículas.
F = (3/2) * π * R * W
F es la fuerza adhesiva
R es el radio de curvatura efectivo de las partículas
W es el trabajo específico de adhesión
Los valores elevados de W favorecen la formación de fuertes adherencias. Las gotas se adhieren entonces con especial firmeza a las herramientas de mezcla o a las paredes.
Por ello, amixon® utiliza a menudo boquillas de dos y tres fluidos. Éstas pueden funcionar en el centro del lecho de polvo. Fluidifican los polvos en la zona del orificio y atomizan el líquido microfino. Como resultado, el líquido libre es absorbido inmediatamente por las partículas. Se evitan las acumulaciones.
Esto es especialmente ventajoso si el polvo no se calienta durante el proceso de mezcla. Los mezcladores amixon® contribuyen a ello, ya que funcionan con un mecanismo de mezcla suave y de bajo consumo que sólo genera efectos de cizallamiento y fricción reducidos.
[Translate to Español:] Die Zweistoffdüse fluidisiert das Pulver und zerstäubt die Flüssigkeit.
Los distintos procesos de humectación pueden probarse en el centro técnico amixon®.
¿Siguen siendo actuales las pruebas prácticas en la mezcladora?
Sí, porque aunque hoy en día podemos caracterizar con precisión polvos y líquidos, las mezclas de polvos y los procesos de humectación siguen siendo complejos. Los sistemas de dispersión reaccionan con sensibilidad a las fluctuaciones de los componentes de las materias primas. Mientras que ahora se pueden simular bien los procesos de mezcla de líquidos, esto rara vez es posible con los sistemas dispersos.
Las pruebas de mezcla también muestran efectos inesperados en la práctica. Los procesos de varios pasos son especialmente interesantes, por ejemplo, en la elaboración de preparados de especias, bebidas instantáneas o alimentos dietéticos.
En el centro técnico de amixon® ponemos en práctica casi a diario una gran variedad de procesos de humectación. Utilizando sus productos originales, estaremos encantados de mostrarle cómo se comportan sus polvos, qué aspecto tienen, cómo fluyen y si se adhieren. Los ensayos prácticos proporcionan resultados fiables que también pueden utilizarse para extrapolaciones fiables. Por tanto, siguen siendo indispensables.
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