Mezcladora de bolas

Las mezcladoras de bolas son máquinas mezcladoras con las que se pueden homogeneizar o mezclar polvos secos, húmedos o mojados. También pueden mezclar líquidos. Por lo general, se utilizan para procesos de mezcla por lotes. El interior de la bola forma la denominada cámara de mezcla. En ella gira una herramienta mezcladora que agita el material a mezclar en tres dimensiones. Este proceso de flujo proporciona una gran eficiencia de mezcla cuando el eje de rotación de la herramienta mezcladora no está alineado ni horizontal ni verticalmente. El mejor efecto de mezcla se consigue con una disposición inclinada. Las mezcladoras de bolas también pueden utilizarse como reactores de síntesis o secadores mezcladores al vacío. En este caso, la bola tiene una doble pared. La doble camisa está atravesada por un fluido caloportador. De este modo se produce un intercambio de materia y calor.

Los mezcladores de bolas están equipados con al menos una herramienta mezcladora giratoria. Esto garantiza la mezcla completa de toda la carga. Opcionalmente se pueden prever herramientas mezcladoras adicionales. Por lo general, se trata de herramientas de trituración o cuchillas de rotación rápida. Estas tienen un diámetro efectivo menor y provocan una desaglomeración durante el proceso de mezcla. Generan efectos de fricción y impacto. De este modo, se rompen los grumos y aglomerados.

Además, son muy eficaces cuando se deben humedecer o recubrir polvos, o cuando esto es necesario para todas las partículas. Su potencia es aproximadamente 3,5 veces la potencia de la frecuencia de rotación.

Los fabricantes de mezcladores de bolas han establecido diferentes diseños en el mercado. Algunos fabricantes colocan el eje mezclador en posición inclinada en la parte superior de la bola, otros en posición inclinada debajo. Otros, en cambio, colocan el eje mezclador en posición inclinada debajo de la bola. Otros colocan el eje mezclador en posición inclinada en la parte superior y la herramienta desaglomerante adicional en posición inclinada en la parte inferior. Algunos fabricantes, por su parte, colocan tanto la herramienta mezcladora principal como la herramienta desaglomerante por encima de la bola.

Herramientas mezcladoras principales en mezcladores de bolas

Los fabricantes de mezcladoras de bolas han establecido diferentes geometrías de herramientas. Algunos han diseñado la herramienta mezcladora principal como un ancla curvada espacialmente. Otros utilizan espirales helicoidales. Otros utilizan herramientas en forma de pala. Es fundamental que las herramientas mezcladoras que giran en la bola mantengan siempre la misma distancia con respecto a la pared de la bola, independientemente de su posición. Esta distancia debe garantizarse también al mezclar productos pesados o adherentes. Por lo tanto, las herramientas de mezcla deben tener una forma especialmente estable.

Llenado con el producto a mezclar

Los componentes que se van a mezclar se introducen en la cámara de mezcla desde arriba. Para ello se necesita al menos una boca de llenado. Algunas mezcladoras de bolas también tienen varias aberturas de llenado. La válvula de cierre puede ser una compuerta giratoria, una compuerta plana o una compuerta de segmento esférico. A diferencia de la válvula de vaciado, la válvula de llenado no tiene que funcionar sin espacios muertos. En la parte superior de la esfera hay además una boquilla de ventilación.

Vaciado del material mezclado

En el extremo inferior de la cámara de mezcla esférica hay una válvula de cierre. Cuando está cerrada, debe tener la forma de una sección esférica. Solo este tipo de diseño no presenta espacios muertos. Esto significa que se mezcla todo el volumen de la esfera, incluso directamente encima de la válvula de cierre.

Limpieza e inspección de la cámara de mezcla

Algunas mezcladoras esféricas tienen dos semiesferas que se pueden abrir para su inspección. Otros fabricantes incorporan puertas de inspección redondas u ovaladas en la cámara de mezcla. Estas también deben estar libres de espacios muertos. El diseño OmgaSeal^® ha demostrado ser especialmente eficaz. Para la limpieza en húmedo, se instalan boquillas giratorias de lavado del depósito en la cámara de mezcla. También hay diseños en los que los dispositivos de limpieza en húmedo permanecen permanentemente en el mezclador.

Pregunta: ¿Qué ventajas ofrece la esfera como recipiente mezclador?

El volumen de una esfera con radio r se puede calcular con la siguiente fórmula:

V = 4/3 ⋅ r³ ⋅ π

La superficie de una esfera con un radio r se puede calcular con la siguiente fórmula:

O = 4 ⋅ r² ⋅ π

Si se comparan diferentes cuerpos con simetría rotacional, la esfera tiene la superficie específica más pequeña. Esto sugiere que una cámara de mezcla esférica es más fácil de limpiar que una cilíndrica o cónica. Por otro lado, se puede suponer que una cámara de mezcla cónica puede descargar mejor los restos de material pulverulento que una esférica. Los fabricantes se esfuerzan por producir sus mezclas con la menor contaminación posible. En este sentido, el vaciado completo de una instalación de mezcla desempeña un papel cada vez más importante.

Si se llena de agua un mezclador de bolas de carbón y se desea calcular el volumen de agua en función del nivel de llenado, se aplica la siguiente fórmula aproximada:

V(𝑧) = π ⋅ z²⋅ (3 ⋅ r – 𝑧) /3

V: volumen de agua

z: nivel de llenado

r: radio interior de la esfera hueca

Dado que se ignora la presencia de la herramienta mezcladora, la fórmula solo proporciona un valor aproximado. El volumen real de agua es algo menor.

Limpieza e inspección de la herramienta mezcladora

La limpieza de la herramienta mezcladora en movimiento dinámico es un aspecto especialmente importante. Esta parte del mezclador de bolas es mucho más compleja que la cámara de mezcla. Por lo tanto, se aplican requisitos especiales. Su diseño debe cumplir los requisitos de flujo de una pala mezcladora. Además, debe cumplir los requisitos de higiene de la EHEDG.

La herramienta mezcladora debe tener una geometría simple.

• La herramienta de mezcla debe favorecer la circulación de los productos mezclados y evitar efectos de compactación.
• Esto debe aplicarse tanto a polvos finamente dispersos como a productos a granel en forma de copos o aglomerados.
• Lo mismo se aplica a los productos secos y fluidificables que a los polvos húmedos y de difícil fluidez.
• La herramienta de mezcla debe tener una superficie lo más pequeña posible.
• Debe estar diseñada de manera que todas las áreas sean fácilmente accesibles y ergonómicas.

Se puede encontrar el tipo de mezclador óptimo para cada categoría de tarea de mezcla. Para ello, le recomendamos que visite amixon^®, donde podrá probar los mezcladores de prueba disponibles (cilíndricos, esféricos, cónicos, cicloidales).

• amixon^® le ofrece excelentes posibilidades para mezclar, humedecer, secar y descargar sus productos más diversos.
• amixon^® recomienda, además de las pruebas de mezcla, realizar una demostración de la limpieza de la mezcladora después de la prueba.

Dependiendo del tipo de productos a mezclar y del sector, deben aplicarse regímenes de limpieza adaptados. Esto se refiere a:

1. la limpieza en seco
2. la limpieza con paños húmedos
3. la limpieza manual en húmedo
4. la limpieza manual en mojado
5. la limpieza automática en mojado.

Los tipos de limpieza (2) a (5) también incluyen el importante tema del secado del agua residual.

No es raro que en una planta de mezcla se alternen 2 o 3 regímenes de limpieza. Dependiendo del grado de suciedad y la tolerancia a la contaminación

Enfriamiento después de la limpieza en húmedo con agua caliente

A menudo, los clientes de la industria alimentaria desean que la limpieza húmeda automática se realice solo con agua caliente. Quieren prescindir de cualquier tipo de tensioactivo. Esto es posible si se aumenta la temperatura del agua de lavado y se ajusta la presión de la salpicadura (caudal y presión). Después de la limpieza, la mezcladora debe secarse lo más rápido posible. Cuanto más caliente se haya calentado el agua de limpieza, más rápido se secará.

Por lo general, a continuación se debe continuar con el proceso de mezcla. Sin embargo, esto solo es posible cuando la mezcladora se ha enfriado. Debido a su diseño esférico, el enfriamiento dura algo más que en otros tipos de mezcladoras. La bola hueca libera el calor mediante radiación térmica Q˙. Esta se puede calcular aproximadamente con la ley de Stefan-Boltzmann.

Q˙ = ε ⋅ σ ⋅ A ⋅ (T_s⁴ − T_u⁴)

Q˙: potencia calorífica irradiada en vatios [W]

ε: grado de emisión de la superficie (sin dimensiones, entre 0 y 1)

σ: constante de Stefan-Boltzmann = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m² K⁴)

A: superficie exterior de la esfera en metros cuadrados [m²]

T_s: temperatura absoluta de la superficie de la esfera en kelvin [K]

T_u: temperatura absoluta del entorno en kelvin [K]

Estimación de la velocidad de enfriamiento de una esfera hueca

Diámetro de la esfera: 1000 mm

Material: acero inoxidable 1.4404 (austenítico, V4A), pulido brillante por fuera y por dentro

Espesor de la pared: 15 mm

Emisividad de la superficie: 0,25

Temperatura inicial: 70 °C

Temperatura ambiente: 15 °C

Enfriamiento hasta la temperatura objetivo: 25 °C.

Hay que tener en cuenta dos mecanismos de transferencia de calor: la radiación térmica y la convección con el aire. Juntos, su potencia de refrigeración total es de aproximadamente 2 kW. En términos puramente matemáticos, el tiempo de enfriamiento es de 4 a 5 horas. Dado que la diferencia de temperatura relativa es cada vez menor, la curva de enfriamiento es asintótica. Este hecho se puede representar bien con la siguiente función exponencial:

T(t) = T_amb + (T_start − T_amb) ⋅ e^−kt

T: Evolución de la temperatura

t: Tiempo

T_amb: Temperatura ambiente

T_start: Temperatura inicial

k: Coeficiente de enfriamiento, aproximadamente 8,59 × 10⁻⁵ 1/s

La herramienta mezcladora de la esfera hueca también se calienta con el agua de lavado. Solo puede enfriarse rápidamente si se abre la cámara de mezcla. El vapor que sale puede afectar negativamente al entorno de producción si el sistema de climatización no elimina la humedad del aire con la suficiente rapidez. Por lo tanto, puede ser conveniente eliminar el vapor de forma selectiva con aire fresco seco.

Adición y distribución de líquido en el mezclador de bolas

En la práctica, además de mezclar los más diversos tipos de polvos, también es importante humedecerlos de manera homogénea. Las llamadas lanzas de adición de líquido desembocan en la zona de acción de la herramienta de molienda de rotación rápida. De esta manera se obtiene rápidamente un producto final homogéneo y sin aglomerados.

amixon ha publicado numerosas entradas en su blog sobre este tema. Se trata de la tensión superficial de los líquidos y sus propiedades reológicas a diferentes temperaturas y bajo impactos de cizallamiento. Además, la porosidad de los productos a granel también desempeña un papel importante. Igualmente importantes son las características de la frontera de fase entre sólidos y líquidos con sus manifestaciones de hidrofobia e hidrofilia.

Nota sobre la denominación «mezclador de bolas».

En realidad, la denominación «mezclador de bolas huecas con herramientas mezcladoras de movimiento dinámico» sería más adecuada que «mezclador de bolas».

La denominación «mezclador de bolas» también se utiliza en el ámbito sanitario. Se trata de un grifo modificado. Una bola perforada varias veces está conectada a una palanca y puede mezclar y regular el flujo de agua fría y caliente.