Flujo en tubería

El flujo tubular y el flujo en caldera son dos conceptos fundamentales de la mezcla continua de polvos. Ambas formas de flujo difieren claramente en su comportamiento técnico-procesal. La solución más adecuada depende siempre del caso de aplicación concreto.

En el flujo tubular, el material a granel se transporta de forma continua a través de una cámara de mezcla esencialmente tubular. La mezcla se produce durante el flujo axial. Idealmente, el flujo se aproxima a un flujo de tapón. La remezcla axial es mínima. Las partículas se mueven a través del mezclador con un tiempo de residencia similar.

Un parámetro clave es el tiempo de residencia medio. Describe la duración media de la estancia de una partícula en el sistema.

t_m = V/V˙

• t es el tiempo de permanencia medio
• V es el volumen de mezcla efectivo
• V˙ es el caudal volumétrico

En el flujo tubular no solo es relevante el valor medio del tiempo de permanencia, sino sobre todo su distribución. La distribución del tiempo de permanencia es relativamente estrecha. Esto favorece una calidad uniforme del producto. Los perfiles de temperatura o humedad se pueden controlar bien. Por lo tanto, el flujo tubular es especialmente adecuado para fórmulas delicadas y productos con especificaciones estrictas.

La contrapartida del flujo tubular es la mezcla en caldera con flujo continuo. En este caso, el polvo se encuentra en un recipiente de mezcla con entrada y salida simultáneas. La caldera se considera, idealmente, como un sistema completamente mezclado. En todo momento, la composición es homogénea en toda la caldera.

También en la mezcla en caldera, el tiempo de residencia medio se deriva de la relación entre el volumen y el caudal. La diferencia decisiva radica en la distribución del tiempo de residencia. Para la caldera idealmente mezclada se obtiene una distribución exponencial.

E(t) = 1/t_m ⋅ exp (−t/t_m)

• E(t) es la función de densidad del tiempo de residencia
• t es el tiempo de residencia individual de una partícula
• t_m es el tiempo de residencia medio

Esta distribución significa que no existe un tiempo de residencia mínimo fijo. Una parte de las partículas abandona el caldero muy pronto. Otras partículas permanecen en el sistema mucho más tiempo. La dispersión de los tiempos de residencia es grande. La varianza del tiempo de residencia se calcula como

(σ_t)² = (t_m)²

(σ_t)² es la varianza de los tiempos de residencia. Esta fuerte remezcla tiene consecuencias desde el punto de vista de la ingeniería de procesos. La mezcla en el calderín actúa como un amortiguador. Se compensan las fluctuaciones en la entrada. El control del proceso es robusto. Esto resulta ventajoso cuando las propiedades de la sustancia son difíciles o las condiciones de contorno son inestables.

Para la descripción cuantitativa de la remezcla se utiliza con frecuencia el número de Peclet. Permite clasificar entre flujo tubular y flujo en caldera.

Pe = u⋅L/D_ax

• Pe es el número de Peclet
• u es la velocidad de flujo axial media
• L es la longitud característica de la cámara de mezcla
• D_ax es el coeficiente de dispersión axial

Los números de Peclet altos caracterizan un comportamiento similar al del flujo en tubos con poca remezcla. Los números de Peclet bajos indican una fuerte remezcla y un comportamiento similar al de un calderín.

Por lo tanto, el flujo tubular y la mezcla continua en caldera no son procesos que compitan entre sí en el sentido de ser mejores o peores. Constituyen herramientas de ingeniería de procesos diferentes. El flujo tubular ofrece distribuciones de tiempo de residencia estrechas y una alta dinámica de proceso. La mezcla en caldera ofrece estabilidad y efecto amortiguador. La elección de la forma de flujo adecuada influye de manera decisiva en la calidad de la mezcla, la consistencia del producto, la capacidad de control y la rentabilidad. Es un paso fundamental en el diseño de procesos de mezcla continua de polvos.