¿En qué medida se pueden ahorrar tiempo de proceso y energía con secadores-mezcladores cónicos modernos?
Los secadores-mezcladores cónicos modernos pueden ahorrar tiempo de proceso y energía sobre todo cuando conducen el producto de forma continua a grandes superficies de contacto termostatizadas, secan al vacío a baja temperatura y reúnen varios pasos de proceso en un aparato cerrado. Sin embargo, no pueden indicarse valores porcentuales sólidos con carácter general: dependen en gran medida del producto, el disolvente, la humedad residual inicial y objetivo, el nivel de vacío, la condensación, el grado de llenado, la superficie de transferencia de calor y el procedimiento de comparación.
Tiempos de proceso más cortos
La ganancia de tiempo más importante surge de la mejora de la transferencia de calor y materia. En un secador-mezclador cónico moderno, el producto no se calienta de forma estática, sino que se recircula de forma continua. Con ello, el material húmedo se conduce repetidamente a la pared termostatizada del recipiente y, si existen, al eje, los brazos o la hélice termostatizables. La superficie de contacto se renueva continuamente. Con ello pueden reducirse los depósitos de producto aislantes, los nidos de humedad y las diferencias de temperatura locales.
La consecuencia es una evaporación más uniforme. El vacío reduce el punto de ebullición del agua o de los disolventes, de modo que la evaporación puede iniciarse a una temperatura de producto más baja. Por ello, en productos sensibles no es necesario trabajar con una temperatura de camisa innecesariamente elevada. Los secadores por contacto al vacío cónicos se emplean precisamente por la combinación de transferencia de calor indirecta, recirculación del producto y funcionamiento a baja temperatura para productos sensibles al calor y al disolvente.
Otra ganancia de tiempo surge del dominio de las transiciones reológicas. Muchos productos cambian durante el secado desde una suspensión, pasando por una fase viscosa o viscoplástica, hasta un polvo seco. Precisamente en la fase intermedia pegajosa, la evaporación puede ralentizarse considerablemente en secadores estáticos, porque se forman grumos grandes o zonas de producto mal atravesadas por el calor. Un órgano mezclador mantiene la masa en movimiento y renueva las superficies de contacto. Si es necesario, una etapa de desaglomeración puede disgregar los grumos de forma dirigida. Esto mejora el acceso del calor y del vacío a la superficie de producto húmeda y evita que el proceso quede determinado por aglomerados compactos individuales.
El ciclo total se acorta además cuando el mezclado, la reacción, la cristalización, la evaporación, el secado, el enfriamiento y, en su caso, la homogeneización se realizan en el mismo aparato. Cada transferencia que se elimina ahorra no solo tiempo de vaciado y carga, sino también tiempo de espera, limpieza, nueva inertización, almacenamiento intermedio y posible reprocesamiento. En productos con requisitos estrictos de contención o de humedad, este efecto puede ser más importante que la mera reducción del tiempo de evaporación.
También un punto final de secado fiable puede ahorrar tiempo. Cuando la temperatura, la presión, el flujo de condensado, la humedad de producto o una señal PAT adecuada se supervisan de forma continua, el lote puede finalizarse al alcanzar la humedad residual objetivo. Sin un concepto de punto final sólido, a menudo se sobreseca por motivos de seguridad. Esto aumenta tanto el tiempo de ciclo como el consumo de energía. Los estudios industriales sobre el secado al vacío destacan que una determinación adecuada del punto final y la supervisión del proceso son puntos de partida esenciales para reducir el consumo de energía y la duración del ciclo.
Menor demanda de energía
En el secado al vacío, la energía se necesita esencialmente para la evaporación del disolvente, las pérdidas de calor del sistema, el accionamiento del órgano mezclador, la generación de vacío, la condensación y, en su caso, la refrigeración. Un secador-mezclador cónico no ahorra la entalpía de evaporación físicamente necesaria. Los ahorros surgen más bien de que se producen menos pérdidas, el aporte de calor se realiza de forma más eficiente y se evita un tiempo de proceso innecesario.
La clave del aparato es el secado por contacto indirecto. El calor se introduce en el producto a través de la pared termostatizada del recipiente y, en su caso, a través de herramientas de mezclado internas calefactadas. Como el material de mezcla toca estas superficies de forma continua, el calor necesario puede transferirse con una diferencia de temperatura moderada. Unas superficies de transferencia de calor grandes y activamente humedecidas mejoran la capacidad de secado y pueden reducir la temperatura de camisa necesaria. Esto disminuye las pérdidas de calor y protege al mismo tiempo a los productos sensibles a la temperatura. Para los secadores de vacío cónicos se citan coeficientes de transferencia de calor que, según el producto y el estado de servicio, se sitúan en un rango muy amplio de aproximadamente 50 a 2.000 W/(m²·K); esta amplia dispersión muestra lo decisivos que son el movimiento del producto y la reología para la demanda de energía real.
El vacío permite un secado a temperatura más baja. Con ello, los principios activos sensibles, los productos químicos finos y los polvos especiales pueden procesarse de forma más cuidadosa. En casos favorables puede aprovecharse además calor de baja temperatura, por ejemplo agua caliente, calor de proceso recuperado o un circuito de aceite térmico de baja temperatura. Los secadores de vacío resultan por ello especialmente atractivos cuando la calidad del producto se vería afectada a temperatura elevada, o cuando ya se dispone de una fuente de calor de baja temperatura adecuada.
La energía de accionamiento del órgano mezclador se mantiene comparativamente baja en muchas aplicaciones con sistemas cónicos, porque el movimiento del producto se realiza predominantemente mediante una recirculación controlada a baja velocidad de giro. Sin embargo, no es despreciable, especialmente en fases intermedias viscoplásticas. Los convertidores de frecuencia variables y una velocidad de giro adaptada al estado del proceso pueden ayudar a aumentar la intensidad de mezclado solo cuando realmente es necesaria para la transferencia de calor o la desaglomeración. Por ello, para una instalación concreta deberían contabilizarse no solo los kWh por lote, sino también los kWh por kilogramo de disolvente evaporado, el tiempo de funcionamiento del órgano mezclador, la demanda de energía específica del vacío y la capacidad del condensador.
La recuperación de disolvente no mejora necesariamente la eficiencia termodinámica del secado, pero puede reducir considerablemente la huella energética y de costes total. En sistemas de vacío cerrados, los vapores se conducen a través de condensadores. Los disolventes recuperados no necesitan comprarse de nuevo, o solo en menor medida, transportarse y eliminarse. Al mismo tiempo disminuyen las emisiones de COV. Por ello, los secadores de vacío cónicos cerrados y calentados de forma indirecta se emplean para productos peligrosos, tóxicos o que contienen disolventes, y pueden permitir una recuperación de disolvente amplia.
Palancas de ahorro adicionales
Los ahorros económicamente relevantes van más allá del contador de energía. Un cono con vaciado prácticamente total reduce las pérdidas de producto y acorta el tiempo hasta el siguiente lote. En principios activos o productos químicos finos de alto valor, una cantidad residual reducida en el fondo del aparato puede tener un efecto económico mayor que un ahorro moderado de energía calorífica.
Una buena limpiabilidad reduce el tiempo de preparación, los medios de limpieza, el tiempo de secado tras el CIP y el riesgo de no poder liberar un lote por contaminación cruzada o residuos. En instalaciones multiproducto, las mayores ganancias de OEE pueden proceder, por ello, de tiempos de cambio más cortos y menos reprocesamiento, y no solo de una fase de evaporación más breve.
La conducción de proceso integrada reduce además el número de bombas, dispositivos de transporte, depósitos intermedios, conexiones de filtro y operaciones de trasvase. Esto disminuye los consumos eléctricos secundarios y el esfuerzo de personal. Al mismo tiempo puede reducirse el riesgo de pérdidas de polvo, absorción de humedad, oxidación y contaminación. Estos factores son especialmente importantes en productos de alto valor o higroscópicos.
Evaluar los ahorros correctamente
Afirmaciones generales como «un 30 a 60 por ciento menos de tiempo de secado» o «un 20 a 40 por ciento menos de energía» no son concluyentes sin un proceso de referencia. Los valores comparativos pueden diferir considerablemente, porque, por ejemplo, un armario de secado al vacío, un recipiente estático, un secador de paletas o un secador-mezclador cónico existente pueden diferir notablemente en superficie de transferencia de calor, grado de llenado, vacío, condensación, medio calefactor y tiempos secundarios de ciclo. En un estudio de laboratorio publicado, un secador de tornillo cónico alcanzó, en las condiciones estudiadas, la mayor velocidad de secado, si bien también se observaron atrición y aglomeración; una indicación de que la ganancia de tiempo y el cuidado del producto siempre deben evaluarse conjuntamente.
Una evaluación sólida compara, por ello, el ciclo de lote completo y no solo el tiempo puro hasta la humedad residual objetivo. Deben registrarse:
Carga, calentamiento, evacuación, evaporación, post-enfriamiento, ventilación, vaciado y limpieza.
Kilogramos de agua o disolvente evaporados por lote.
kWh para el medio calefactor o refrigerante, el accionamiento del mezclador, la bomba de vacío, la condensación y los equipos auxiliares.
Pérdidas de calor en el recipiente, las tuberías y el sistema de condensación.
Humedad residual objetivo, disolvente residual, homogeneidad, distribución del tamaño de partícula y rendimiento de producto.
Tasa de recuperación de disolvente y costes de disolvente fresco, así como de eliminación.
Duración de la limpieza, pérdidas de preparación, vaciado residual y número de lotes no liberables.
A partir de estos datos pueden formarse indicadores como kWh/kg de disolvente evaporado, kg de producto por hora, tiempo de ciclo total, rendimiento y coste por kilogramo de producto liberado. Solo entonces puede juzgarse de forma seria si un secador-mezclador cónico moderno es la solución económicamente mejor.
Así evalúa amixon® la eficiencia energética, el TCO (Total Cost of Ownership, coste total de propiedad) y la amortización de un mezclador industrial
La rentabilidad de un mezclador o secador-mezclador de vacío no se decide únicamente por su potencia eléctrica absorbida. Son determinantes la demanda de energía, el tiempo de mezclado y de secado, la transferencia de calor, la pérdida de producto, el vaciado residual, los tiempos de limpieza y de cambio, el mantenimiento, así como la vida útil realmente alcanzable. amixon® evalúa estos factores como coste total de propiedad a lo largo de todo el ciclo de vida y determina los valores característicos decisivos mediante ensayos con producto original.
Los bloques de coste relevantes
A lo largo de un período de consideración de, por ejemplo, diez años, cinco bloques de coste determinan la rentabilidad: energía, pérdida de producto, tiempos de limpieza y de cambio, mantenimiento y repuestos, así como la amortización a lo largo de la vida útil real. Estos factores están estrechamente relacionados entre sí. Una instalación con una potencia conectada baja no es automáticamente rentable si necesita tiempos de mezclado o secado largos, si tras cada lote quedan cantidades de producto relevantes en la cámara de mezclado, o si los cambios de producto son laboriosos.
La demanda de energía específica no puede indicarse de forma seria como un valor de catálogo general en kilovatios-hora por tonelada. Depende de la formulación, el tamaño de lote, el grado de llenado, el contenido de humedad y disolvente, el nivel de vacío, la temperatura, la superficie de transferencia de calor, las pérdidas de calor, el tiempo de mezclado, la velocidad de giro, la reología, la necesidad de desaglomeración y la humedad residual objetivo. En un secador-mezclador se añaden además el medio calefactor y refrigerante, la generación de vacío, la condensación, la filtración de vapores y, en su caso, la inertización. Por ello, amixon® determina los datos relevantes en el centro de ensayos con el producto original y en condiciones de proceso realistas.
Energía y transferencia de calor
Los mezcladores amixon® trabajan con una recirculación tridimensional controlada del producto y velocidades periféricas de herramienta comparativamente bajas, a partir de aproximadamente 0,8 m/s. El aporte de energía no se realiza principalmente mediante velocidades de giro elevadas, movimientos de proyección o una fuerte solicitación por impacto, sino mediante ciclos recurrentes de producto. Esto limita el aporte de energía mecánica y favorece un procesamiento cuidadoso con el producto.
Los tiempos de mezclado cortos y reproducibles reducen la energía por lote y aumentan el caudal por potencia instalada. En el mezclador de doble eje HM, los flujos de producto se superponen y favorecen una distribución rápida en todo el volumen del lote. En el mezclador cónico KS, la homogeneidad requerida puede alcanzarse ya tras pocas revoluciones de la herramienta, en función de la formulación, el grado de llenado y la calidad de mezcla objetivo. Lo decisivo no es el tiempo de mezclado teóricamente más corto, sino una ventana de proceso robusta en la que la calidad objetivo se alcance de forma reproducible y duradera.
En los secadores-mezcladores de vacío y reactores cónicos de amixon®, la hélice de mezclado SinConcave®/SinConvex® puede proporcionar superficies de transferencia de calor especialmente grandes. Además de la cámara de mezclado termostatizable de doble pared, el eje, los brazos de mezclado y la hélice de mezclado pueden ejecutarse termostatizables. Estas superficies se adentran profundamente en el volumen de producto y complementan la transferencia de calor a través de la camisa del recipiente.
Su eficacia se basa en que son tocadas de forma continua por el material de mezcla. La recirculación tridimensional del producto eleva el producto en la zona próxima a la pared, lo hace descender de nuevo en el centro y lo pone repetidamente en contacto con la pared del recipiente, el eje, los brazos y la hélice de mezclado. El contacto con las superficies termostatizadas se renueva constantemente. Con ello, el intercambio de calor y materia puede realizarse de forma eficiente durante el secado al vacío, sin someter al producto a temperaturas innecesariamente elevadas ni a velocidades de giro elevadas.
El vacío reduce el punto de ebullición del agua y de los disolventes. Con ello, el secado puede realizarse a temperaturas de producto más bajas, lo que protege a los principios activos sensibles, los productos químicos finos, los productos cristalinos, los microorganismos, los pigmentos o los polvos especiales. Los ahorros no surgen de que se elimine la energía de evaporación necesaria, sino de la reducción de las pérdidas de calor, los sobrecalentamientos innecesarios, los tiempos de mezclado improductivos y los ciclos de secado excesivamente largos.
Vaciado residual y tiempos de cambio
El vaciado residual es un parámetro de eficiencia central y a menudo subestimado. Cada cantidad de producto que permanece en el mezclador tras la descarga provoca pérdida de producto, esfuerzo de limpieza adicional, riesgo de arrastre, o varios de estos inconvenientes a la vez. En principios activos valiosos, productos químicos especiales, ingredientes alimentarios de alto precio o aditivos funcionales, un vaciado residual amplio puede ser económicamente más importante que el ahorro de kilovatios-hora individuales.
Los sistemas de mezclado amixon® pueden permitir, según la forma constructiva y las propiedades del producto, un vaciado residual muy amplio. Para las series AM y KS se citan grados de vaciado residual de hasta aproximadamente el 99,98 por ciento, y para los conceptos de descarga ComDisc®, de hasta aproximadamente el 99,99 por ciento. Tales valores son objetivos constructivos, no una garantía general para cada formulación. El grado de vaciado realmente alcanzable depende del tamaño de partícula, la densidad aparente, la humedad, la adherencia, la carga electrostática, el estado de la superficie, la adhesión del producto y el concepto de descarga. Por ello debe comprobarse con el producto original.
La hélice de mezclado SinConcave®/SinConvex® favorece, además de la transferencia de calor y la calidad de mezcla, también el vaciado residual amplio. Mueve el producto de forma controlada a través de toda la cámara de mezclado y lo transporta, en función de la geometría del recipiente, hacia la zona de descarga. En los aparatos cónicos, la gravedad contribuye adicionalmente. Un buen vaciado reduce el esfuerzo de limpieza, disminuye el consumo de medios de purga o de limpieza, acorta el tiempo hasta el siguiente lote y reduce el riesgo de contaminación cruzada.
Las cámaras de mezclado y las aberturas de inspección con pocos espacios muertos y bien accesibles acortan adicionalmente el tiempo de limpieza y de cambio. Esto aumenta la disponibilidad productiva de la instalación. Precisamente en instalaciones multiproducto, cada cambio de producto acortado mejora la eficacia global del equipo (OEE) y aumenta la cantidad de producto liberado que puede producirse anualmente.
Mantenimiento y vida útil
Los costes de mantenimiento están influidos por la construcción, la velocidad de giro, el concepto de junta, la abrasividad del producto, la frecuencia de limpieza y la accesibilidad. Un órgano mezclador apoyado solo en la parte superior evita una travesía de eje inferior en la zona de producto. Esto reduce el número de puntos de estanqueidad y de apoyo críticos. El modo de operación a baja velocidad de giro limita además el desgaste del órgano mezclador, el apoyo y las superficies en contacto con el producto.
Una vida útil real prolongada mejora considerablemente la rentabilidad. Cuando un aparato puede operarse de forma fiable durante muchos años mediante mantenimiento preventivo, disponibilidad de repuestos, modernización o retrofit, la inversión se reparte entre más lotes. amixon® informa de que numerosas máquinas llevan más de 30 años en funcionamiento diario. No obstante, la vida útil concreta sigue dependiendo del producto y del proceso: las sustancias abrasivas, los medios agresivos, los cambios de temperatura intensos, la limpieza en húmedo frecuente o los cambios de carga elevados pueden acelerar el desgaste de componentes individuales.
El suministro de repuestos a largo plazo y la refabricación documentada de componentes específicos del cliente favorecen un funcionamiento planificable a largo plazo. No obstante, para una consideración de TCO realista deberían tenerse en cuenta los intervalos de mantenimiento, los costes de las juntas, los costes de almacenamiento, el esfuerzo de limpieza y la disponibilidad esperada de la instalación.
Escalado con producto original
amixon® puede apoyar a los clientes de forma técnica y adecuada en la transferencia de ensayos de laboratorio y piloto a grandes instalaciones de secado-mezclado al vacío. Un aumento de escala en procesos térmicos no puede derivarse únicamente de semejanzas geométricas. Cuando una instalación de producción es considerablemente mayor que el secador del centro de ensayos, cambian, entre otras cosas, las superficies de transferencia de calor activamente humedecidas, la altura de llenado, la masa térmica, las pérdidas de calor, la carga del condensador, el caudal de vapores, la carga del filtro y el suministro del medio de atemperado.
Por ello, amixon® realiza ensayos de secado y de reacción con producto original y registra de forma exhaustiva los datos de proceso relevantes. Entre ellos figuran, por ejemplo, la evolución de la presión y el vacío, la temperatura de producto, las temperaturas de ida y retorno del medio calefactor o refrigerante, la cantidad de condensado, el flujo de condensado, la velocidad de giro del órgano mezclador, el par motor, el grado de llenado, el comportamiento del producto y el tiempo de proceso. Sobre esta base, amixon® puede fijar la superficie de transferencia de calor necesaria, la conducción de temperatura, la técnica de vacío, el filtro de vapores, el condensador, la potencia de calefacción y refrigeración, el diseño del órgano mezclador, así como el tamaño de construcción adecuado para la instalación industrial objetivo.
Los datos de medición del secado se combinan con el know-how de ingeniería de proceso y los cálculos termodinámicos. Con ello puede estimarse de antemano y fijarse constructivamente el rendimiento de una gran instalación de producción. La superficie de transferencia de calor activa no se deriva únicamente de la geometría del recipiente. También se tiene en cuenta el contacto del producto con las herramientas de mezclado termostatizables para distintos grados de llenado. Esto es importante porque la superficie de transferencia de calor efectiva puede cambiar durante el secado debido a la disminución del grado de llenado y a las propiedades cambiantes del producto.
amixon® puede implementar posteriormente, de forma constructiva y de fabricación, las propiedades del aparato definidas sobre la base de los ensayos. Entre ellas figuran la geometría del recipiente, el tamaño de construcción, el órgano mezclador, el eje, los brazos de mezclado y la hélice de mezclado termostatizables, las superficies de transferencia de calor, la reserva de par motor, los rotores de corte, el sistema de vacío, el filtro de vapores, el condensador, la selección de materiales, el concepto de junta, el órgano de descarga, el sistema de limpieza, la instrumentación y la automatización. La instalación no se dimensiona solo teóricamente, sino que se ajusta a las condiciones de proceso observadas en el ensayo.
El objetivo de este procedimiento es que el cliente pueda producir con rapidez, tras la finalización y la puesta en marcha, con la calidad de producto prevista. La instalación no debería tener que «madurarse» durante la producción mediante ajustes posteriores, reservas de rendimiento poco claras o problemas de proceso evitables. El ensayo en el centro de ensayos reduce este riesgo, porque las fases de proceso críticas —por ejemplo el calentamiento, la fase de alta evaporación, las transiciones reológicas, el alcance de la humedad residual objetivo, el enfriamiento, el vaciado y la limpieza— se estudian y documentan antes de la inversión.
amixon® ofrece más información sobre la transferencia de datos de ensayo a grandes instalaciones de producción en el artículo «amixon® ayuda en el dimensionamiento de grandes instalaciones de secado-mezclado al vacío».
Ensayos como base de decisión
Antes de una inversión, las hipótesis técnicas y económicas deberían comprobarse con producto original. En el centro de ensayos de amixon® en la sede central de Paderborn hay disponibles más de 30 instalaciones de prueba en distintos tamaños de construcción. Adicionalmente existen centros de ensayos en Japón, India, Tailandia, China, Corea del Sur y EE. UU. Los ensayos pueden realizarse con grados de llenado, tamaños de lote realistas, así como con las condiciones de temperatura, presión y vacío previstas.
Se evalúan la calidad de mezcla, el cuidado del producto, el aporte de energía, la transferencia de calor, la cinética de secado, el perfil de temperatura, la evolución del vacío, el flujo de condensado, el vaciado residual, la limpiabilidad, el tiempo de cambio y la reproducibilidad. Los resultados se documentan y constituyen la base para el diseño de la planta de producción, así como para los cálculos de TCO, ROI y amortización. Las formulaciones, los resultados de ensayo y los datos de proceso elaborados conjuntamente se tratan de forma confidencial.