¿Cómo dimensionar un mezclador vertical para rangos de lote amplios y pasar de la escala piloto a la producción?
El dimensionado de un mezclador vertical para márgenes de lote amplios (habitualmente una relación de 1:5 a 1:10 entre el llenado mínimo y el máximo) requiere una consideración combinada de los factores geometría, potencia de accionamiento, mecánica del material a granel y números característicos de ingeniería de procesos. Un aumento puramente geométrico de la escala piloto a la de producción no basta para ello, ya que la cinética de mezclado y la aportación de potencia no se escalan de forma lineal.
En primer lugar se fijan el espectro de lotes y el volumen útil y se define el rango de grado de llenado. En la práctica, los mezcladores verticales con recipiente cónico y herramienta de mezclado de tornillo o helicoidal pueden cubrir grados de llenado de aprox. el 20 % al 100 % del volumen útil.
El diseño debe dimensionarse de modo que el efecto de mezclado quede garantizado con seguridad con el llenado mínimo. Los criterios de escalado deben derivarse de la escala piloto. A partir de los ensayos piloto se trasladan las magnitudes de proceso para hacer reproducible el comportamiento de mezclado a escala de producción.
- Semejanza geométrica: la relación entre la altura y el diámetro del recipiente (H/D) así como el ángulo de paso y el diámetro de la hélice deberían mantenerse lo más constantes posible, para conservar condiciones de flujo y de transporte comparables.
- Velocidad periférica (v_tip): es decisiva para la aportación de energía de cizalla y, con ello, para la rotura de partículas y la disgregación de aglomerados. Con los productos sensibles a la cizalla se mantiene lo más similar posible entre las escalas.
- Aportación específica de potencia (P/V): la potencia por volumen es una magnitud característica para los procesos de mezclado dominados por la dispersión.
- Intensidad específica de mezclado (P/m): la potencia por masa es una magnitud característica de la intensidad de mezclado. Con volúmenes grandes se pretende a menudo una aportación específica de potencia ligeramente reducida en favor de la eficiencia energética.
- Número característico del tiempo de mezclado (n·t_M): es el producto de la velocidad de giro y el tiempo de mezclado. Con una geometría similar, mantener constante este número puede ser una medida de orientación robusta.
Dimensionado geométrico para márgenes de lote amplios
- La geometría del recipiente tiene una relación H/D que se sitúa habitualmente en el rango de 1,2 a 1,8, para lograr una buena recirculación axial.
- Es habitual una parte inferior cónica con un ángulo de cono de aprox. 15–33°.
- En el diseño de la herramienta hay que tener en cuenta que el tornillo o la hélice llegue hasta el punto más bajo de la salida, para evitar zonas muertas con un grado de llenado reducido.
- La holgura de la hélice respecto de la pared debería ser de solo unos pocos milímetros, para minimizar las adherencias a la pared y las zonas muertas sin generar riesgos de atrapamiento para las partículas.
- La relación de paso de la hélice es de en torno al 20 al 30 % del diámetro de la hélice, para lograr una relación equilibrada entre el transporte axial y la recirculación radial.
- Flexibilización para márgenes amplios: con relaciones de lote extremas, los órganos mezcladores de varias etapas, las alturas de herramienta ajustables o los insertos modulares pueden ayudar a adaptar las zonas de mezclado a las distintas alturas de llenado.
Dimensionado del accionamiento y mecánica del material a granel
- La presión hidrostática en el fondo crece con la altura de llenado, de modo que el par de arranque con el llenado completo se sitúa claramente por encima del par de servicio estacionario.
- Para garantizar un arranque seguro a plena carga es preferible un accionamiento controlado por variador de frecuencia con un par de arranque elevado (habitualmente de 2,0 a 2,5 veces el par nominal).
Tiempo de mezclado y calidad de mezcla en todo el rango de llenado
Comportamiento del tiempo de mezclado:
- A mayor escala, los recorridos de las partículas se prolongan estadísticamente, lo que tiende a conducir a tiempos de mezclado más largos.
- Para limitar el tiempo de mezclado hay que calcular la tasa de transporte axial y radial del mezclador y optimizarla mediante la geometría y la velocidad de giro.
Validación de la homogeneidad: la calidad de mezcla se valora en la práctica habitual mediante el coeficiente de variación (CV).
- Con márgenes de lote amplios resulta razonable una matriz de muestreo que prevea tomas de muestra con el llenado mínimo y máximo así como en posiciones definidas (arriba, centro, abajo).
- Los sistemas de muestreo a escala de producción deben configurarse de modo que proporcionen muestras representativas sin segregación durante la extracción.
Comportamiento de vaciado y cantidades residuales
- Los volúmenes de llenado grandes aumentan la presión estática en el polvo, en particular con materiales a granel de grano fino o cohesivos. Por eso el diámetro de salida y la geometría de las ayudas de descarga (por ejemplo compuertas de fondo, válvulas de segmento) deben dimensionarse con criterio crítico.
- Con lotes muy pequeños, las cantidades residuales porcentuales son claramente mayores. Por eso el comportamiento de vaciado con el llenado mínimo debe comprobarse de forma selectiva y, en su caso, optimizarse mediante una geometría de salida adaptada o mecanismos de transporte adicionales.
Escala intermedia y respaldo práctico
Un salto directo, por ejemplo de 100 l de volumen piloto a 5.000 l de volumen de producción, está ligado a riesgos elevados. Una escala intermedia (factor 5–10) permite:
- detectar los efectos no lineales como la segregación, la separación de las partículas finas o los problemas inesperados de evacuación de calor,
- comprobar el dimensionado del accionamiento en condiciones reales de par con el llenado mínimo y máximo,
- respaldar el comportamiento de vaciado y las cantidades residuales en todo el margen de lote,
- fijar la matriz de muestreo y los criterios de liberación antes de invertir en la escala de producción.
Así asegura amixon® el escalado del centro de ensayos a la producción
El principio de mezclado es idéntico en todas las escalas. Da igual qué mezclador de amixon® se utilice: VM, HM, AM, KS, SH, AMK o Gyraton®, todos trabajan según el mismo principio. Todos los mezcladores presentan un elevado grado de congruencia. Eso hace que la fórmula sea de aplicación universal:
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
- I_V: caudal volumétrico de desplazamiento o de transporte
- D/d: diámetro exterior/diámetro interior de la hélice
- Φ: grado de llenado (referido al volumen útil)
- S: paso de la hélice
- n: frecuencia de giro (revoluciones por segundo)
- ζ: coeficiente de velocidad (específico de la herramienta)
El núcleo del enfoque de amixon®: los mezcladores de ensayo y de producción trabajan con el mismo sistema de mezclado. El órgano mezclador de cinta helicoidal SinConvex® transporta el producto hacia arriba en la periferia y lo deja fluir hacia abajo en el centro. Este flujo total tridimensional tiene la misma característica con independencia del tamaño constructivo. El escalado se realiza a través de la fórmula de recirculación, es decir, a través del caudal volumétrico de transporte de la herramienta mezcladora helicoidal y de la frecuencia de recirculación derivada de él, y no solo a través de la velocidad de giro.
Calidad de mezcla independiente del grado de llenado
Los mezcladores de amixon® alcanzan las máximas calidades de mezcla ya con un grado de llenado bajo (aprox. el 10 %): la mezcla aleatoria técnicamente ideal, que en la práctica no se puede mejorar. Los tamaños de lote pueden variar en el mismo mezclador sin que la homogeneidad deba validarse de nuevo. Con ello se desactiva el momento más crítico del escalado: los primeros lotes pequeños de producción en la máquina grande.
Una retícula fina de tamaños en lugar de saltos de escala
amixon® fabrica tamaños de mezclador, si se desea, en pasos de 100 litros desde 100 hasta 50.000 litros (VM, HM, AM). El Gyraton® GM enlaza a continuación desde 10 hasta aprox. 100 m³ en pasos de 1 m³. El paso de la escala de ensayo validada al tamaño objetivo se puede elegir con la finura que se desee, ya que no existe un salto forzoso al siguiente tamaño de catálogo que vulneraría la semejanza.
Validación antes de la inversión
En el centro de ensayos de amixon® hay disponibles 35 instalaciones de prueba de distintos tamaños constructivos. Los ensayos se realizan con el producto original, con grados de llenado reales y en el rango previsto de temperatura y presión. Se llevan a cabo, se evalúan y se documentan junto con los expertos de amixon®. Los parámetros determinados se incorporan al dimensionado de la máquina de producción.
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 certificada y cualificada en soldadura con acreditaciones europeas, japonesas, coreanas y americanas, amixon® construye cada aparato como una pieza única a partir de las URS del explotador. El control de calidad permanece íntegramente en la propia casa y cada especificación es demostrable hasta el nivel del componente. Esta soberanía de fabricación asegura al mismo tiempo el suministro a largo plazo. Cada componente se puede volver a fabricar de forma reproducible incluso décadas después.
Servicio a lo largo de todo el ciclo de vida
Tras la puesta en marcha, amixon® sigue estando 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, y la mayoría de los repuestos se almacenan en la sede de Paderborn así como en los puntos de servicio de Japón y los Estados Unidos. De ese modo queda garantizado 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 más actual del estado de la técnica.