¿Cómo asegurar el escalado de lotes de laboratorio de 20 litros a una producción de 2.000 litros sin perder calidad de mezcla?
Un escalado asegurado se basa en la combinación de la semejanza geométrica, la selección de números característicos relevantes para el proceso y una verificación metrológica y apoyada en modelos a escala intermedia y de producción. El objetivo es mantener la calidad de mezcla de forma reproducible pese al aumento de escala por un factor de 100.
Asegurar la semejanza geométrica
La geometría del recipiente, del agitador y de los elementos interiores debería ejecutarse en ambas escalas de la forma más proporcional posible, para que los perfiles de flujo, las zonas muertas y el comportamiento de recirculación sigan siendo comparables. A ello pertenecen en particular relaciones como el diámetro del recipiente respecto a la altura de llenado, el diámetro del agitador respecto al diámetro del recipiente, así como la posición de los elementos interiores y de las entradas.
Fijar la magnitud de escalado correcta
No hay un criterio universal de escalado; lo determinante es la finalidad del proceso. Los puntos de partida típicos son la aportación específica de potencia P/V, la velocidad en la punta del agitador, el tiempo de mezclado, el número de Reynolds, el número de Froude y, en los procesos dispersivos o dominados por la reacción, también la disipación local de energía. No todos los números característicos pueden mantenerse constantes a la vez, por lo que la magnitud objetivo dominante debe elegirse en función del proceso.
Analizar el régimen de mezclado
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.
Antes de la transferencia a la escala de producción debería aclararse si el proceso está limitado sobre todo por el micromezclado, el mesomezclado o el macromezclado. En las reacciones rápidas, las precipitaciones o las suspensiones sensibles, con frecuencia lo decisivo es la situación local de cizalla y de disipación en las proximidades del agitador, y no solo el tiempo de mezclado medio.
Utilizar una escala intermedia y reducir el riesgo
Un salto directo de 20 litros a 2.000 litros es técnicamente posible, pero arriesgado. Una escala piloto o de centro de ensayos en el orden de unos 100 a 300 litros permite comprobar la regla de escalado elegida, detectar pronto las desviaciones y verificar parámetros como la velocidad de giro, la potencia absorbida y el tiempo de mezclado.
Emplear CFD y DoE
Las simulaciones CFD ayudan a valorar los perfiles de flujo, las zonas muertas, las corrientes de cortocircuito y los gradientes de cizalla en la escala de destino antes de acometer modificaciones costosas en la instalación. En combinación con un diseño de experimentos pueden investigarse sistemáticamente las magnitudes de influencia críticas y definirse ventanas de operación robustas.
Medir la calidad de mezcla de forma objetiva
La calidad de mezcla real debería asegurarse no solo mediante cálculo, sino también con analítica de proceso, por ejemplo con mediciones en línea de conductividad, de turbidez, de señales espectroscópicas o de otras señales PAT. Como números característicos sirven, por ejemplo, el coeficiente de variación y el tiempo de mezclado medido, para valorar cuantitativamente el estado en la escala de producción.
Tener en cuenta las condiciones marco térmicas y operativas
Al crecer el volumen empeora la relación entre la superficie de transmisión de calor y el volumen, con lo que el calentamiento y la refrigeración se vuelven más lentos. Además hay que incluir en el dimensionado los puntos de dosificación, el aporte de gas, el nivel de llenado, el comportamiento de arranque y de parada, así como los cambios reológicos del producto, ya que pueden influir notablemente en la calidad de mezcla a gran escala.
Utilizar definiciones uniformes de los conceptos y del proceso
Para una transferencia sólida deberían definirse de forma unívoca los conceptos, las magnitudes objetivo y los criterios de aceptación empleados, y utilizarse de manera uniforme en todo el contexto de desarrollo y de producción. Eso reduce los márgenes de interpretación y facilita la liberación técnica del escalado.
Un escalado robusto no surge por tanto de un único número característico, sino de la combinación coordinada de geometría, elección de los números característicos, escala intermedia, simulación, PAT y criterios de aceptación claros.
Así asegura amixon® el escalado del centro de ensayos a la producción: el principio de mezclado es idéntico en todas las escalas
El núcleo del enfoque de amixon® consiste en que los mezcladores de ensayo y de producción trabajan con el mismo sistema de mezclado. El órgano mezclador SinConcave®/SinConvex® transporta el producto hacia arriba en la periferia y lo deja fluir de nuevo hacia abajo en el centro. Así surge un flujo total tridimensional con la misma característica en todos los tamaños constructivos.
Se escala en función de la tarea de mezclado y de los resultados obtenidos en el ensayo de pequeña escala o en el centro de ensayos, buscando siempre la calidad de mezcla ideal:
- el mismo tiempo de mezclado o tiempo de ciclo,
- la misma textura,
- la misma solicitación de las partículas,
- la misma densidad aparente,
- el mismo comportamiento de flujo,
- la misma distribución granulométrica,
- el mismo comportamiento de llenado y de envasado,
- y otras magnitudes objetivo específicas del producto.
No se escala únicamente mediante la velocidad de giro o la velocidad periférica, sino en función de la característica de transporte de la herramienta mezcladora helicoidal.
Todos los tamaños constructivos se operan en una ventana de velocidad similar, por regla general a bajas revoluciones. Así se conservan el perfil de flujo, la solicitación mecánica de las partículas y las condiciones de semejanza determinantes.
Calidad de mezcla independiente del grado de llenado
Los mezcladores de amixon® alcanzan calidades de mezcla muy elevadas ya con un grado de llenado reducido. Esa es una ventaja esencial en el escalado, ya que la calidad del proceso no se estabiliza solo en un límite estrecho de carga plena. De ese modo pueden variarse los tamaños de lote en el mismo mezclador sin que la homogeneidad quede cada vez fundamentalmente en cuestión.
Una retícula fina de tamaños en lugar de saltos de escala
amixon® fabrica los mezcladores con una retícula de tamaños muy fina. Así puede planificarse el paso de la escala de ensayo validada al tamaño de destino sin saltos bruscos de catálogo. Precisamente eso reduce el riesgo de que una condición de semejanza se pierda por un salto de tamaño demasiado grande.
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. Los ensayos se llevan a cabo, se evalúan y se documentan junto con los expertos de amixon®. Además hay centros de ensayos de amixon® en Japón, India, Tailandia, China, Corea del Sur y los Estados Unidos.
Para todas las máquinas de amixon® rige la misma fórmula básica para calcular la frecuencia de recirculación, es decir, el número de revoluciones de la herramienta de mezclado necesarias para la recirculación completa del lote entero en la cámara de mezclado:
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, en revoluciones por segundo
- ζ: coeficiente de velocidad, específico de la herramienta
amixon® tiene en el centro de ensayos siempre también aparatos grandes disponibles para los ensayos, hasta lotes de 3 m³ y más allá. Eso es importante cuando hay que responder a cuestiones sobre la presión dinámica, así como sobre el redondeo de las partículas y la generación de finos.
Así pueden determinarse el tiempo de mezclado, la velocidad periférica y otros parámetros de proceso de modo que puedan incorporarse de forma sólida al dimensionado de la máquina de producción. Eso reduce notablemente los riesgos técnicos y económicos antes de la inversión.
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 emplea exclusivamente 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. El control de calidad permanece íntegramente en la propia casa y cada especificación es demostrable hasta el nivel del componente.
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 también 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 así como en los puntos de servicio de Japón y los Estados Unidos.
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.