Mixing of granular materials in an oscillatory shear mixer

Abstract

Mezclado es uno de los pasos más importantes en el manejo de los polvos en muchas industrias tales como en la industria química, metalúrgica, farmacéutica, alimenticia, etc., debido al gran efecto que tiene en la composición de sus productos principales. Para mencionar solo un importante ejemplo en la industria farmacéutica, el mezclado afecta altamente la potencia de las tabletas de tal manera que, si hay un problema de no homogeneidad en sus componentes, esto se convertiría en un gran riesgo a la salud humana. Para ir más a fondo en el entendimiento del comportamiento del mezclado, la mayoría de los estudios han sido enfatizados en diferentes sistemas tal como cilindros rotatorios, mezcladores tote, mezcladores en V, mezcladores de doble cono, etc., los cuales son los más usados hoy en día en la industria del manejo de sólidos. El progreso ha sido substancial, aunque, debido al hecho de que la mayoría del trabajo haya sido realizado considerando solo en 2 dimensiones, la comprensión fundamental de los fenómenos permanece aún oculta. Las aplicaciones reales de la industria requieren el entendimiento en las tres dimensiones y solo pocos estudios en esta línea ha sido realizados, por ejemplo, el uso de nuevas técnicas tales como el rastreo de partículas por emisión de positrones la cual es una técnica no invasiva que sigue el movimiento de partículas trazadoras marcadas radiactivamente para estudiar su desplazamiento en los tres ejes coordenados. El uso de MRI es otro método no muy común en este campo y la razón del poco uso de estos equipos es debido al alto costo envuelto y la complejidad y dificultad de tenerlos en un laboratorio común. Considerando las limitaciones y complicaciones experimentadas por el estudio general acerca del mezclado granular, este trabajo ha sido enfocado en desarrollar un sistema simple que consiste de una caja que tiene dos paredes movibles y tres paredes estáticas donde la deformación cortante impuesta fue variada siguiendo una función periódica la cual permite el estudio del movimiento aleatorio del material granular y el mezclado de este. El objetivo fue demostrar experimentalmente con un sistema no complicado la relevancia de la importancia de tomar en consideración una tercera dimensión y conseguir información de los fenómenos físicos (compactación, dilatación, deslizamiento de interface, caos, y segregación) envueltos en el flujo granular de tres dimensiones. El sistema permite enfocar fenómenos específicos y así un mejor entendimiento de estos puede ser obtenido de resultados experimentales. Los resultados son explicados en tres diferentes capítulos principales. En el primero de ellos, el efecto de los experimentos a diferente deformación cortante impuesta, desplazamientos de pared, tiempo y perturbación de pared en el mezclado de la superficie de la cavidad y en el eje z fueron estudiados. Segregación fue otro fenómeno considerado para entender las respuestas diversas de mezclado en el sistema cuando problemas de no homogeneidad aparecen. En el segundo capítulo los efectos de diferentes distribuciones de tamaño de partícula y dilatación son mostrados. Por último, el tercer capítulo concierne al efecto de nivel de llenado inicial en el mezclado global. El estudio revela que el mejor mezclado es encontrado cerca de las paredes movibles y en la capa superficial. Un patrón triangular con una altura decreciente asociada con el incremento del mezclado fue obtenido en el fondo de la cámara de mezclado y cuya longitud depende del largo de la cavidad, la velocidad, el desplazamiento de la pared, el tamaño de partícula y el nivel de llenado inicial. El mezclado en la capa superficial sigue un comportamiento caótico. El fenómeno de dilatación fue notable jugando un papel importante en el desarrollo del mezclado variando la expansión del lecho linealmente con el tamaño de partícula.

Mixing is one of the most important steps in handling powders in many industries e.g., the chemical, metallurgical, pharmaceutical, and food processing industries, because it strongly affects the composition of their main products. To mention only one important example in the pharmaceutical industry, mixing affects the potency of tablets such that if a problem of non homogeneity in its components results, it becomes a risk to human health. To obtain an in depth understanding of mixing behavior, most previous studies have been emphasized in different systems such as rotating cylinders, tote blenders, v-blenders, double cone blenders, etc which are the most used nowadays in industries of solid handling. The progress has been substantial, however, because of the fact that most of the work has been done regarding only 2 dimensions, fundamental comprehension of the phenomena is still hidden. Real industrial applications require the understanding in three dimensions and only few studies along these lines has been done, for example, the use of new techniques such as positron emission particle tracking (PEPT) which is a noninvasive method that follows the motion of single radioactively labeled tracer particle to study their displacement in three axes. The use of MRI is another not so common technique in this field and the reason of the limitation of the use of these equipments is the high costs involved, and the complexity to have them in a common laboratory. Considering the limitations and complications experienced in the general study of granular mixing, this work focused on developing a simple system consisting of a box with two moving walls and three static walls where the imposed shear strain was varied following a periodic function which permits to study the granular materialís random movement and the mixing of the granular material. The goal was to demonstrate experimentally, with a relatively simple system, the importance of taking into consideration the three dimensions and to obtain insights of the physical phenomena (compaction, dilation, interface slip, chaos, and segregation) involved in 3-dimensional granular flow. The system allows targeting specific phenomena, thus better understanding can be drawn from the experimental results. The results are explained in three chapters. In the first, the effect of experiments at different imposed shear strains, wall displacements, time, and wall perturbation in the mixing on the surface of the cavity and in the z-axis were studied. Segregation was another phenomenon considered to understand the diverse responses of the mixing in the system when problems of non-homogeneity appear. In the second chapter the effects of different particle size distributions and dilation are shown. Finally, the third chapter concerns the effect of initial filling level in global mixing. The study reveals that the best mixing is found near the moving walls and in the superficial layer. A triangular pattern with a height decrease that is associated with an increase in mixing was obtained at the bottom of the mixing chamber. The triangle size depended on the length of the mixing chamber, the velocity and wall displacement, the particle size, and the initial filling level. Mixing in the superficial layer follows a chaotic trend. The phenomenon of dilation was significant, playing an important role in the mixing performance varying the expansion of the bed linearly with the particle size.