La transferencia reproducible de una formulación desde la escala de laboratorio o de centro de ensayos a la escala de producción en el mezclador vertical de un solo eje se basa en que el principio de mezclado se mantenga igual en todos los tamaños de construcción, en que la recirculación abarque toda la cámara de mezclado con independencia del grado de llenado y en que la aportación específica de energía se conduzca de forma comparable. La simple adopción de la velocidad de giro, de la cantidad de llenado y del tiempo de mezclado no es suficiente para ello.

Asegurar la semejanza geométrica

El requisito básico para un escalado fiable es la mayor semejanza geométrica posible entre el mezclador del centro de ensayos y el de producción:

• Relación entre el diámetro de la herramienta y el diámetro del recipiente (D/T)
• Grado de llenado referido al volumen útil (típicamente, por ejemplo, del 40 al 70 %), constante entre las escalas
• Disposición, número y geometría de las herramientas de mezclado (forma, paso, ángulo de ataque)
• Holguras entre la herramienta de mezclado y la pared del recipiente (zona periférica, barrido de la pared)
• Posición y ejecución de las herramientas secundarias (trituradores, boquillas de pulverización, herramientas adicionales)

Si estas relaciones difieren notablemente, deben deducirse factores de corrección empíricos y, en su caso, adaptaciones de la conducción del proceso (por ejemplo perfiles de velocidad de giro, estrategia de dosificación).

El principio de mezclado invariable como criterio de escalado determinante

Para los mezcladores verticales de un solo eje con recirculación forzada, el criterio de escalado decisivo no es un número adimensional, sino la cuestión de si el principio de mezclado actúa sin cambios en todos los tamaños de construcción. Son determinantes tres condiciones:

• La herramienta de mezclado abarca toda la cámara de mezclado y reestratifica el producto por completo, en cada tamaño de construcción según el mismo patrón de movimiento.
• La recirculación es independiente del grado de llenado, de modo que se alcanza la misma calidad de mezcla en una amplia franja de lotes.
• La velocidad periférica se mantiene en el rango de bajas revoluciones, de modo que la solicitación por cizalla y la aportación de calor siguen siendo comparables entre las escalas.

Si se cumplen estas condiciones, la transferencia del centro de ensayos a la producción no depende de un cálculo de números adimensionales. La demostración se realiza en el ensayo en el centro de ensayos con el producto original; los números adimensionales pueden describir el marco, pero no sustituyen al ensayo.

El número de Froude no es en este contexto un criterio de dimensionado. Describe la relación entre las fuerzas de inercia y las de gravedad y es significativo para los mezcladores rotativos de caída libre, de tambor y de proyección, así como para los sistemas con herramienta de mezclado apoyada en horizontal, pero no para los mezcladores verticales con recirculación forzada.

Mantener constantes el grado de llenado y el movimiento del material

La calidad de mezcla en el mezclador vertical de un solo eje depende en gran medida de la dinámica del espacio libre, es decir de la relación entre el volumen de material a granel y el espacio libre para las parábolas de proyección y los movimientos de circulación. Para una calidad de mezcla reproducible rige lo siguiente:

• Mantener el grado de llenado porcentual del centro de ensayos a la producción
• Evitar el sobrellenado, ya que modifica de raíz el patrón de flujo, aumenta de forma desproporcionada el consumo de potencia y puede generar zonas muertas, así como una redistribución limitada de las partículas

Si el grado de llenado utilizable en el mezclador de producción está limitado por razones de ingeniería de procesos o de la instalación, eso debe compensarse mediante adaptaciones de la velocidad de giro, del tiempo de proceso y, en su caso, de la configuración de las herramientas, y asegurarse experimentalmente.

Tener en cuenta la aportación específica de energía

Además de la cinemática, la aportación específica de energía (energía por masa, por ejemplo en kWh/t o kJ/kg) determina la calidad de mezcla, en particular en:

• materiales a granel cohesivos o pegajosos
• la división de aglomerados
• formulaciones con adición de líquidos o de ligantes

Magnitud característica típica

La aportación específica de energía resulta del consumo de potencia y del tiempo de mezclado, referidos a la masa del lote.

La aportación específica de energía en el escalado

En el escalado, la aportación específica de energía debería mantenerse lo más constante posible, para alcanzar resultados comparables de homogeneidad y de dispersión. En ello hay que tener en cuenta lo siguiente:

• Al crecer el volumen disminuye la relación entre superficie y volumen, de modo que el calor aportado mecánicamente puede evacuarse peor.
• En los productos sensibles a la temperatura, la velocidad de giro y el tiempo de mezclado deben elegirse de modo que la aportación específica de energía sea suficiente pero la temperatura del producto permanezca en el rango admisible.

Adaptación del tiempo de mezclado

El tiempo de mezclado no escala de forma lineal con el volumen. Con el mismo principio de mezclado y una geometría semejante, los patrones de movimiento de las partículas siguen siendo comparables, pero los recorridos de transporte en la cámara de mezclado se alargan. Consecuencias:

• En la escala de producción se requiere con frecuencia una duración de mezclado moderadamente más larga para alcanzar el mismo grado de homogeneidad.
• Un procedimiento cercano a la práctica es acoplar el tiempo de proceso al número de revoluciones de la herramienta (por ejemplo «x revoluciones hasta la homogeneidad objetivo») o a la aportación acumulada de energía alcanzada.

El tiempo de mezclado definitivo debe validarse mediante ensayos en el centro de ensayos y ensayos de referencia escalados en el mezclador de producción, para evitar errores de extrapolación.

Escalar la adición de líquido y la técnica de pulverización

En las formulaciones con adición de líquido (por ejemplo ligantes, aceite, soluciones), la estrategia de dosificación y la distribución de las gotas influyen sustancialmente en la calidad de mezcla. En el escalado hay que tener en cuenta lo siguiente:

• La tasa específica de adición (por ejemplo l/min por kg de sólido) debería mantenerse constante.
• El sistema de pulverización debe adaptarse al volumen mayor: número, posicionamiento y ángulo de pulverización de las boquillas, así como tamaño de gota y grado de humectación alcanzado en la superficie del material.

El objetivo es reproducir en la escala de producción la calidad de distribución y de humectación alcanzada en la escala del centro de ensayos, sin generar sobredosificaciones locales ni «formación de nidos».

Conducción del proceso: orden y perfiles de velocidad de giro

Para la transferibilidad de una formulación, los pasos del proceso deben conservarse cualitativamente:

• Orden de adición de los componentes (por ejemplo sustancias secas, líquidos, aditivos)
• División en fases de premezclado, de mezclado principal y, en su caso, de granulación
• Perfiles de velocidad de giro por fase (por ejemplo velocidad de giro baja para el mezclado en seco, velocidad de giro elevada para la granulación)

Estos pasos se ejecutan en la escala de producción en el mismo orden lógico, pero se adaptan cuantitativamente a las reglas de escalado (velocidad periférica, aportación específica de energía, grado de llenado).

Característica de las partículas y segregación en la gran escala

Los mezcladores verticales de un solo eje de gran escala reaccionan de forma más sensible a los fenómenos de segregación:

• Unas alturas de caída mayores y unos tiempos de permanencia más largos en la zona de vuelo acentúan las diferencias de tamaño de grano, de forma y de densidad.
• En el escalado debería comprobarse si la intensidad de mezclado y la conducción del proceso del centro de ensayos son suficientes para impedir la segregación en el volumen mayor.

Posibles contramedidas:

• Perfiles de velocidad de giro adaptados (por ejemplo una fase final distendida, con intensidad reducida para minimizar la segregación)
• Momentos de adición optimizados para los componentes sensibles
• Adaptaciones selectivas de la formulación (distribución granulométrica, auxiliares de flujo) en los productos críticos

Validación mediante lotes de referencia

Tras el dimensionado teórico, el escalado debe verificarse mediante lotes de referencia en la escala de producción. Las magnitudes de comprobación típicas para la calidad de mezcla son:

• Coeficiente de variación (CV) de un componente guía o de un trazador en el producto final
• Distribución granulométrica (antes y después del proceso) en las formulaciones que aglomeran o reducen
• Humedad residual y homogeneidad de la distribución del líquido
• Evolución de la potencia del mezclador a lo largo del tiempo como «huella dactilar» característica del proceso

En muchas aplicaciones, un CV por debajo del 5 % se considera el objetivo para una mezcla suficientemente homogénea. Las desviaciones se utilizan para reajustar los parámetros de proceso de forma iterativa.

Condiciones marco para la reproducibilidad

Para que una formulación escalada con éxito pueda ejecutarse de forma reproducible de manera duradera, deben controlarse condiciones marco adicionales:

• Calidad de la materia prima (distribución granulométrica, densidad aparente, humedad, propiedades de flujo)
• Influencias del entorno (temperatura, humedad del aire)
• Estado de la herramienta (desgaste, recubrimientos, adherencias en la pared)
• Estados definidos de limpieza, de preparación y de arranque del mezclador

Unas condiciones marco constantes aseguran que la combinación validada de geometría, velocidad periférica, grado de llenado y aportación de energía conduzca realmente a la misma calidad de mezcla, tanto en el centro de ensayos como en la escala de producción.