¿Qué datos y modelos respaldan el escalado de los procesos de mezclado y aglomeración, por ejemplo el número de Froude?
El escalado de los procesos de mezclado y de aglomeración de la escala de laboratorio o de centro de ensayos a la producción se basa en una base de datos fiable y en el uso selectivo de números adimensionales y de enfoques de modelo. El objetivo es asegurar en la medida de lo posible la semejanza geométrica, cinemática y dinámica entre las escalas.
Datos relevantes para el escalado
Una base importante son las magnitudes geométricas como la geometría del recipiente, las dimensiones y las posiciones de las herramientas de mezclado, así como el grado de llenado. Igual de relevantes son las propiedades del material y de las sustancias, como la distribución granulométrica, la densidad aparente y del sólido, la viscosidad, el contenido de humedad, el comportamiento de flujo, la cohesión, la adhesión y la tensión superficial de los ligantes.
A ello se suman los parámetros de proceso como la velocidad de giro, el tiempo de mezclado, la tasa de adición de ligante, la temperatura y los perfiles de humedad, el consumo de potencia, el par y la aportación específica de energía. Los valores característicos del producto, como la distribución de tamaños del granulado, la resistencia del grano, la porosidad, la homogeneidad, la humedad residual, así como la evolución temporal de la homogeneización y del crecimiento del granulado, son igualmente decisivos.
Números adimensionales importantes
El número de Froude describe la relación entre las fuerzas de inercia y las de gravedad y es relevante para transferir las velocidades de giro. Se emplea con frecuencia en los mezcladores de arados, de tambor y horizontales.
El número de Froude se refiere a los mezcladores rotativos de caída libre, de tambor y de proyección, así como a los sistemas con órgano mezclador apoyado en horizontal. En los mezcladores verticales con recirculación forzada no es un criterio de dimensionado ni de escalado. Allí lo determinante es que el principio de mezclado se mantenga igual en todos los tamaños y que la recirculación abarque toda la cámara de mezclado con independencia del grado de llenado; la transferibilidad se asegura en el centro de ensayos con el producto original.
El número de Reynolds caracteriza el régimen de flujo y es importante sobre todo para los sistemas cargados de líquido o pastosos. El número de Newton vincula la demanda de potencia con la velocidad de giro, la geometría de la herramienta y la densidad del material y apoya el dimensionado de los accionamientos, así como el cálculo de la aportación específica de energía, pero solo para los líquidos.
El número de Weber describe la relación entre las fuerzas de inercia y las de tensión superficial y es relevante para la formación de gotas, para la distribución del ligante y para la estabilidad de los puentes líquidos en la aglomeración por acumulación. De forma adicional, la aportación específica de energía se utiliza con frecuencia como criterio robusto de escalado cuando no todos los números adimensionales pueden mantenerse constantes al mismo tiempo.
Enfoques de modelo y métodos
Los modelos empíricos se basan en series de ensayos, en análisis de regresión y en reglas cercanas a la práctica, como una velocidad periférica constante o una aportación de energía constante por unidad de volumen. Son con frecuencia muy útiles, pero están ligados al producto correspondiente y al aparato concreto.
Los modelos mecanicistas utilizan las leyes físicas fundamentales de la conservación de la masa, del impulso y de la energía. A ellos pertenecen la computational fluid dynamics para calcular los campos de flujo y las distribuciones de cizalla y de energía, el discrete element method para simular los movimientos de las partículas y las fuerzas de contacto, así como los modelos acoplados de CFD y DEM para los procesos con una fuerte interacción entre fluido y partícula.
Los modelos de balance de población describen la evolución temporal de la distribución granulométrica mediante la nucleación, el crecimiento, la coalescencia, la rotura y la consolidación. Los mapas de régimen ayudan a clasificar los estados de aglomeración y a determinar la ventana de servicio adecuada. De forma complementaria se emplean la planificación estadística de ensayos y los gemelos digitales, para analizar de forma sistemática los parámetros críticos y sus interacciones.
El papel de la semejanza en la práctica
La semejanza geométrica es con frecuencia el requisito para la transferibilidad de las correlaciones del número de Newton y del número de Reynolds. Con desviaciones notables en la geometría, los patrones de flujo y de movimiento de las partículas cambian a menudo tanto que las simples reglas de escalado ya no bastan y se hacen necesarias las simulaciones numéricas y los ensayos piloto.
En la práctica industrial se siguen por ello, en la mayoría de los casos, estrategias de escalado híbridas. Es típica la combinación de semejanza geométrica, número de Froude constante, adaptación selectiva de la aportación específica de energía, ensayos de laboratorio y de centro de ensayos, así como un dimensionado asistido por modelos. Así pueden asegurarse mejor la calidad del producto y la estabilidad del proceso a través de todas las escalas.
Qué reglas de escalado aplica amixon® y dónde los ensayos las sustituyen
Los mezcladores de amixon® se operan en todos los tamaños de construcción en la misma ventana de velocidad periférica, aproximadamente de 0,8 a 3,5 m/s y por regla general a bajas revoluciones. Con herramientas geométricamente semejantes, una velocidad periférica constante mantiene comparables entre las escalas la solicitación mecánica de las partículas y el patrón de movimiento del material a granel, y es con ello la condición de semejanza más importante en la práctica. La velocidad de giro disminuye en ello al crecer el diámetro; quien en su lugar mantiene constante la velocidad de giro sobresolicita el producto en la gran escala.
Lo que permanece constante y lo que cambia
Constantes en todos los tamaños de construcción son en amixon® el principio de mezclado, la geometría de la herramienta y la calidad de mezcla independiente del grado de llenado. Los tiempos de mezclado cambian de forma moderada en el paso de una escala a otra y se determinan en el ensayo, no se convierten mediante una fórmula empírica, ya que dependen del comportamiento de flujo, de las diferencias de densidad y de la cohesión del producto concreto.
Los números adimensionales como marco, los ensayos como prueba
Los números adimensionales como el número de Froude proporcionan el marco para transferir los estados de movimiento. amixon® utiliza esas consideraciones en el dimensionado, pero no se basa en ellas. En el centro de ensayos, con 35 instalaciones de prueba, se determinan y se documentan el tiempo de mezclado, el grado de llenado y la velocidad de la herramienta con el producto original. Para los procesos de granulación, en particular en el granulador mezclador de capa anular, los ensayos son expresamente obligatorios, porque el equilibrio entre la formación, la densificación y la destrucción del grano no puede predecirse de forma puramente calculada.
Aglomerar polvos en el granulador mezclador de capa anular
Los polvos pueden formar en el granulador mezclador de capa anular de amixon® aglomerados estables y sin polvo con una porosidad uniformemente grande. Tales aglomerados se humectan bien en los líquidos, se hunden bien y se disuelven con rapidez.
La aglomeración es un proceso natural. Ya al hornear se ve cómo, a partir de partículas finas y mediante la adición de un líquido, surgen primero estructuras sueltas y después cada vez más densificadas. En la realización técnica, las partículas más finas se unen mediante puentes líquidos, densificación y cizalla, de modo que surgen aglomerados redondeados con una distribución granulométrica definida.
El granulador mezclador de capa anular resulta especialmente adecuado cuando se busca un aumento económico del tamaño de grano y una formación uniforme de los aglomerados. Los aglomerados del granulador mezclador están por lo general más densificados y son menos porosos que los aglomerados de la aglomeración en lecho fluido. Mientras que el procedimiento de lecho fluido se utiliza sobre todo para productos instantáneos muy porosos, rápidamente humectables y rápidamente dispersables, la aglomeración en capa anular apunta más a granulados económicos, bien transportables y con poco polvo.
La retícula fina de tamaños como ventaja silenciosa de escalado
Como amixon® fabrica los mezcladores en pasos de 100 litros hasta 50.000 litros y el Gyraton® GM está disponible en pasos de 1 m³ hasta aproximadamente 100 m³, no hay que sacrificar ninguna condición de semejanza a un salto de catálogo. La máquina de destino se dimensiona exactamente para el tamaño de lote validado, lo que mejora notablemente la transferibilidad de los datos del centro de ensayos.
La fabricación en Paderborn como fundamento de la calidad
amixon® desarrolla y fabrica exclusivamente en la planta de Paderborn, con el mayor grado de integración de fabricación y con todos los componentes procedentes de Alemania. Como empresa cualificada en soldadura certificada con acreditaciones europeas, japonesas, coreanas y americanas, amixon® construye cada aparato como una pieza única sobre la base de las URS del explotador, y el control de calidad permanece íntegramente en la propia casa. Esta soberanía de fabricación asegura al mismo tiempo el suministro a largo plazo: cada componente puede volver a fabricarse de forma reproducible incluso décadas después.
Servicio a lo largo de todo el ciclo de vida
Tras la puesta en marcha, amixon® permanece al lado del explotador. Las inspecciones periódicas y el mantenimiento preventivo aseguran la disponibilidad, si se desea con mantenimiento predictivo. Determinadas piezas de desgaste se suministran ya con la primera entrega; la mayoría de los repuestos se almacenan en la sede de Paderborn y muchos otros en los puntos de servicio de Japón y los Estados Unidos. Así sigue siendo posible un servicio de repuestos de por vida, incluso cuando los proveedores originales dejan de existir. Muchas máquinas de amixon® llevan más de 30 años en servicio diario; la modernización y el reequipamiento las mantienen al nivel del estado de la técnica.