Introducción

Las mezclas son operaciones comunes en la industria química transformadora, como en la fabricación de cosméticos, detergentes y pinturas. Esta industria utiliza productos de la petroquímica para crear nuevos materiales con utilidad inmediata, sustituyendo productos naturales.

Cuando se combinan componentes para formar disoluciones, sistemas coloidales o dispersos heterogéneos, se obtiene un sistema con propiedades diferentes, sin interacción entre sus componentes. En laboratorios e industrias, se usa el término preparación de disoluciones en lugar de mezcla.

Si se mezclan disoluciones con diferentes concentraciones, se habla de mezclas de disoluciones, ya que cada disolución es una mezcla previa que, al combinarse, forma una nueva mezcla.

Procedimiento de Preparación de Mezclas

En la industria química, la preparación de mezclas debe cumplir con los estándares de calidad exigidos por normativas, clientes o reglamentos superiores. Para asegurar la calidad, se establecen procedimientos escritos que detallan las operaciones a seguir, garantizando uniformidad en cada producción.

El procedimiento se divide en tres etapas:

• Recepción de materias primas
• Preparación de la mezcla
• Almacenamiento y expedición

Operación de Mezclado

El mezclado es una operación unitaria esencial en la industria, utilizada para combinar fluidos, sólidos o gases. Aunque suelen confundirse, agitación y mezclado no son lo mismo:

• Agitación: Movimiento inducido de un material en patrón circular, generado por medios mecánicos.
• Mezclado: Distribución aleatoria de dos o más fases inicialmente separadas, como fluidos, sólidos pulverizados o líquidos de distinta densidad.

El objetivo de la operación de mezclado es lograr la máxima interposición de partículas para obtener una mezcla uniforme, generalmente usando medios mecánicos.

La operación de agitación favorece el mezclado al generar movimientos que transportan partículas, aunque ambos procesos pueden darse por separado.

Así, se puede afirmar que la operación de mezclado es consecuencia de la operación de agitación.

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

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:
  • Estado físico.
  • Características fisicoquímicas (densidad, viscosidad, higroscopicidad).
  • Granulometría de las partículas sólidas, entre otras.

Las mezclas industriales se clasifican en:

• Líquidas: Líquidos miscibles, líquidos con sólidos o gases solubles.
• Suspensiones: Sólidos insolubles en líquidos.
• Semisólidas: Cremas, pastas o masas plásticas.
• Sólidas: Partículas pequeñas.
• Gaseosas: Mezclas homogéneas de gases con distintas aplicaciones, cuya precisión depende de la aplicación y las leyes físicas.

Independientemente del tipo de mezcla que se prepare, 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 ésta.

Esto se consigue con un correcto diseño de todo el proceso:

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

La máxima interposición posible permite lograr 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.

Tipos de Mezclas

El mezclado es una operación unitaria en ingeniería química que consiste en combinar dos o más sustancias sin que ocurra una reacción química, permitiendo su separación mediante métodos físicos o mecánicos.

Las mezclas se clasifican en:

• Mezclas homogéneas: Sus componentes se mezclan uniformemente, siendo imposible diferenciarlos a simple vista. También llamadas disoluciones, mantienen una composición constante incluso a nivel molecular. Ejemplos: sal disuelta en agua, perfume o acero.
• Mezclas heterogéneas: Presentan dos o más fases diferenciadas, con moléculas de mayor tamaño que pueden ser visibles. Se dividen en suspensiones (sólido-líquido) y emulsiones (líquido-líquido inmiscibles). Ejemplos: arena con agua, aceite con agua o ensaladas.

Teoría del Mezclado

Una mezcla con apariencia uniforme a escala macroscópica se obtiene mediante un proceso estructurado en etapas, en el cual las partículas de los componentes se interponen siguiendo un patrón específico.

Cualquier proceso de mezclado se puede dividir en las siguientes etapas:

• Dosificación/Incorporación: Las partículas de los componentes que van a formar la mezcla 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. En esta etapa existen regiones en el volumen de mezcla en los que la distribución de partículas de un determinado componente en el seno del resto de componentes es mayor que en otras.
• Homogenización: Se logra que la distribución de las partículas de todos los componentes que forman parte de la mezcla alcance un mismo patrón en todas y cada una de las regiones del volumen de mezcla.

Existen dos patrones ideales para describir la distribución de partículas en mezclas de dos o más componentes en estado sólido:

1. Mezcla ordenada perfecta: Las partículas se distribuyen de forma constante, sin importar el tamaño de la muestra, siempre obteniendo la misma distribución.
2. Mezcla aleatoria perfecta: Las partículas se distribuyen al azar, pero la probabilidad de encontrar partículas de un componente es proporcional a su cantidad en la mezcla.

Las etapas 1 y 2 se aplican a la preparación de todas las clases de mezclas (líquidas, suspensiones, semisólidas y sólidas).

En la etapa 3, el grado de homogenización varía:

• En mezclas líquidas, se alcanza una mezcla homogénea a escala microscópica.
• En suspensiones y mezclas semisólidas, las partículas se distribuyen sin patrón, resultando en una mezcla heterogénea.

Al finalizar la etapa 3 de homogenización, se obtiene la mezcla con las características óptimas, pero es crucial detener el proceso en el momento adecuado para evitar la segregación de las partículas.

NOTA: La segregación es el proceso contrario al del mezclado, es decir, la separación de los componentes de la mezcla.

El proceso de mezclado puede verse afectado por diferencias en la forma, tamaño y densidad de los componentes del lecho de mezcla, lo que puede causar segregación si se manipula excesivamente el material una vez obtenida una mezcla homogénea. La homogeneidad del producto final depende del equilibrio entre los factores que favorecen o dificultan el mezclado, tales como el tipo de equipo, las condiciones de operación y las características de los materiales.

El objetivo de la teoría del mezclado es predecir el tiempo y la potencia necesarios para mezclar una carga en un depósito determinado.

Grado de Mezcla (Grado de Homogeneidad de la Mezcla)

Cuando se habla de mezcla, se hace referencia al grado de homogenización que se alcanza durante una operación de mezclado.

Al final de la etapa 3 del proceso de mezclado, se debe comparar la distribución de las partículas de los componentes de una mezcla real con los patrones de mezcla ordenada y mezcla aleatoria.

En las mezclas reales que se preparan mediante una operación de mezclado, la distribución de las partículas de los componentes no se produce exactamente como en los dos patrones. Estos dos tipos de patrones marcan los límites a los que se apunta cuando se prepara una mezcla real, por lo que cuando se ponga en práctica una técnica de mezclado, se compararán las características de dicha mezcla con los patrones en forma de desviaciones.

El objetivo es minimizar las desviaciones que existen 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.

La situación más habitual es que se forme una mezcla con un patrón aleatorio, así que el principal inconveniente reside en garantizar que en cada volumen que constituye el producto final, la proporción de los componentes de la mezcla es la adecuada. En caso contrario, se debe modificar la técnica de mezclado.

En la figura 7.2 (no incluida en el texto original, pero se asume su existencia por la referencia), se representa la mezcla de dos componentes 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 homogenización.

• 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 mezcla óptimo que se alcanza de un determinado equipo de mezclado está muy relacionado con el tamaño de cada una de las fracciones que salen de dicho equipo de mezclado para formar parte del producto final. 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.