¿Qué opciones existen para el calentamiento y el enfriamiento durante el proceso de mezclado de sistemas de polvos reactivos?
Al mezclar sistemas de polvos reactivos, una gestión térmica precisa es decisiva para controlar la cinética de reacción, la calidad del producto y la seguridad de proceso. Según la reactividad del sistema, el tamaño del lote y el perfil de temperatura deseado se dispone de diversas opciones técnicas de calentamiento y enfriamiento.
Sistemas de doble camisa (calentamiento y refrigeración indirectos)
El método más habitual es el empleo de recipientes de mezclado de doble pared por cuya camisa circula un fluido portador de calor.
Los medios habituales son:
- agua para rangos de temperatura moderados
- aceite térmico para temperaturas de proceso elevadas
- salmuera o mezclas de glicol y agua para refrigerar por debajo de 0 °C
- vapor para un calentamiento rápido, por ejemplo en pasos de secado o de esterilización
Con ello se puede evacuar de forma fiable el calor de reacción exotérmico y también precalentar de manera selectiva los componentes en polvo, por ejemplo para controlar la viscosidad o activar reacciones de sólidos.
Herramientas de mezclado termorreguladas y superficies internas de transmisión de calor
Como la transmisión de calor a través de la pared del recipiente es limitada con volúmenes grandes, los ejes y las herramientas de mezclado se pueden ejecutar huecos y hacer circular por ellos un medio de termorregulación.
Además son posibles:
- tubos o placas intercambiadores de calor interiores
- zonas de fondo termorreguladas para evitar la condensación
La ventaja de esta solución radica en la transmisión de calor directa en el núcleo del producto. Eso mejora la homogeneidad térmica, acorta los tiempos de proceso y permite evacuar o aportar grandes cantidades de calor con una elevada tasa de mezcla.
Calentamiento eléctrico directo
Para temperaturas extremadamente altas se emplean manguitos o mantas calefactoras eléctricas. Las llamadas calefacciones auxiliares de baja intensidad se emplean también cuando hay que mantener calientes silos o tuberías.
Esta solución es comparativamente sencilla, económica y adecuada para aplicaciones con una necesidad de calor limitada.
Barrido de gas y termorregulación por gas
Se conducen corrientes de gas termorreguladas por la cámara de mezclado que transmiten el calor directamente al lecho en movimiento. Los gases inertes precalentados o refrigerados, como el nitrógeno, cumplen así dos funciones a la vez: ajustan el nivel de temperatura deseado y mantienen bajo el contenido de oxígeno, lo que es relevante para la seguridad con polvos reactivos o explosivos. La transmisión de calor es menor que en los procedimientos ligados a superficies, pero actúa directamente sobre la superficie de las partículas y se puede regular con rapidez. Por eso, la termorregulación por gas se emplea con frecuencia como complemento de la termorregulación por doble camisa o por herramienta, por ejemplo para evacuar picos de reacción o para extraer al mismo tiempo la humedad.
Refrigeración por evaporación asistida por vacío
Si en el sistema hay humedad o disolvente, aplicando un vacío se puede reducir el punto de ebullición de la fase líquida.
Efecto
La evaporación de la fase líquida extrae calor del producto (entalpía de evaporación). Se obtiene una refrigeración eficiente y suave, adecuada para productos sensibles a la temperatura. Esta forma de refrigeración por evaporación se puede utilizar al mismo tiempo para secar y para ajustar el contenido de humedad residual.
Refrigeración criogénica
Para procesos fuertemente exotérmicos o temperaturas de proceso muy bajas se emplea la introducción directa de medios criogénicos como el nitrógeno líquido (LN₂) o el CO₂ en la cámara de mezclado.
Propiedades:
- refrigeración de choque muy rápida gracias a la entalpía de evaporación
- posibilidad de mantener el sistema inerte al mismo tiempo y aumentar así la seguridad frente a explosiones con polvos reactivos
Este método es especialmente adecuado para procesos de molienda y mezclado y para sistemas con una elevada capacidad de liberación de calor.
Calentamiento por radiación
Con menor frecuencia se aporta calor mediante radiadores infrarrojos dirigidos a la superficie del lecho en movimiento. La energía actúa sin contacto y sin fluido portador térmico, pero alcanza solo la capa superior de partículas; por eso es imprescindible una recirculación suficiente. El procedimiento se emplea sobre todo con capas delgadas, con reacciones superficiales sensibles y allí donde se quiere evitar un circuito de fluido portador de calor.
Criterios de selección importantes para el dimensionado del proceso
La elección de la opción de calentamiento y de refrigeración adecuada –a menudo también de una combinación de varios métodos– depende en particular de:
- la entalpía de reacción y la energía de activación del sistema
- la velocidad de calentamiento o de enfriamiento necesaria
- la capacidad calorífica específica y la conductividad térmica del material a granel
- la sensibilidad a la temperatura de las materias primas y la ventana de temperatura deseada
- los requisitos de seguridad (por ejemplo ATEX, evitación de la fuga térmica)
- el tamaño de lote, la geometría y las superficies de transmisión de calor disponibles
- aspectos económicos y de eficiencia energética
Así termorregula amixon® durante el mezclado: calentar y refrigerar como funciones integradas del proceso
amixon® combina procedimientos mecánicos y térmicos en numerosas instalaciones de prueba, desde la escala de laboratorio hasta la instalación piloto. Así se pueden investigar de forma realista los procesos de mezclado, de secado y de reacción con perfiles de temperatura y de presión realistas.
Mezcladores y secadores-mezcladores termorregulables
Los mezcladores de amixon® se pueden ejecutar con doble camisa para la termorregulación. Ejemplos:
- Mezclador de un solo eje EM con doble camisa para termorregular y secar al vacío
- Mezclador vertical de un solo eje VM con superficies de camisa calefactables y refrigerables
- Reactores secadores-mezcladores VMT y AMT, en los que además son termorregulables el órgano mezclador completo (eje, brazos, hélice del órgano mezclador) así como las bocas de hombre, los órganos de descarga y el filtro de vapores
Como portadores de calor se emplean agua, vapor o aceite térmico. El calentamiento y la refrigeración se realizan mediante el mismo sistema de termorregulación, lo que simplifica la planificación y el funcionamiento.
Por qué la superficie de intercambio de calor es decisiva
En los lechos de polvo, el transporte de calor es con frecuencia el factor limitante. amixon® aborda este cuello de botella por dos vías:
- grandes superficies específicas de intercambio de calor mediante la doble camisa y el órgano mezclador completamente termorregulable
- una intensa recirculación total mediante la hélice del órgano mezclador SinConcave®/SinConvex®, que transporta continuamente producto fresco a las superficies termorreguladas
Así, la transmisión de calor y el intercambio de materia transcurren con rapidez y eficiencia también en aparatos grandes. Un ejemplo son los reactores cónicos con volúmenes útiles de dos cifras en metros cúbicos, cuyas superficies en contacto con el producto son completamente termorregulables.
Aplicaciones habituales de la termorregulación
- Mantener las grasas por encima del punto de fusión (incorporación de grasa sin grumos, fusiones de grasa definidas)
- Refrigerar sistemas reactivos y limitar los picos de temperatura
- Ejecutar procesos de cristalización y de acondicionamiento con perfiles de temperatura definidos
- Acelerar el secado al vacío con temperaturas de producto bajas
Los perfiles de temperatura y de tiempo se memorizan como programas de mezclado en el PLC y son con ello reproducibles lote a lote. Las evoluciones del par y de la temperatura apoyan la detección del punto final y facilitan la conducción del proceso.
Dimensionado de grandes secadores-mezcladores de vacío
Para los grandes secadores-mezcladores de vacío no basta una simple estimación de la transmisión de calor. amixon® combina ensayos en el centro de ensayos con cálculos termodinámicos para elaborar conceptos de escalado seguros, incluso cuando la instalación de destino es entre 50 y 80 veces mayor que la instalación de ensayo. La entrada de blog «amixon® hilft bei der Dimensionierung großer Vakuum-Mischtrockneranlagen» describe cómo se derivan de los datos de ensayo la capacidad de evaporación, las superficies de intercambio de calor necesarias, la potencia de calentamiento y de refrigeración así como el dimensionado del condensador y del filtro de vapores.
Reequipamiento y respaldo desde la ingeniería de procesos
Cada aparato de amixon® es una pieza única basada en las URS del explotador. El alcance de la termorregulación y las potencias conectadas se dimensionan de forma específica para cada proyecto. Las instalaciones existentes se pueden mejorar o ampliar térmicamente en el marco de la modernización y del reequipamiento. El comportamiento térmico del producto se verifica por adelantado en el centro de ensayos, en el rango previsto de temperatura y presión.
Cualificable y documentado
Para los entornos regulados, amixon® suministra instalaciones cualificables con un control de calidad completo. amixon® apoya a los explotadores en la DQ, la IQ y la OQ; la documentación y la ejecución siguen, a petición, EU-GMP y FDA 21 CFR Part 11. Si se desea, los aparatos cumplen estándares adicionales como EHEDG, las directrices de higiene de la FDA, las 3-A Sanitary Standards, USDA, GMP, ATEX y ASME y se integran, desde las URS hasta la puesta en marcha, en el concepto de validación del explotador.
La fabricación en Paderborn como fundamento de la calidad
amixon® desarrolla y fabrica exclusivamente en la planta de Paderborn, con un elevado grado de integración de fabricación y con componentes procedentes en su mayoría de Alemania. Como empresa certificada y cualificada en soldadura con acreditaciones europeas, japonesas, coreanas y americanas, amixon® construye cada aparato como una pieza única. El control de calidad permanece íntegramente en la propia casa y las especificaciones están documentadas hasta el nivel del componente. Esta soberanía de fabricación asegura el suministro a largo plazo: cada componente se puede volver a fabricar de forma reproducible incluso décadas después.