¿Qué opciones de termostatización (calentar/enfriar) están disponibles en mezcladores verticales de un eje?
Los mezcladores verticales de un solo eje pueden equiparse para tareas de calentamiento y enfriamiento con termorregulación indirecta. Las opciones abarcan desde una simple camisa del recipiente hasta la termorregulación completa del eje de mezclado y de las herramientas de mezclado. Qué solución es adecuada no depende únicamente de la temperatura de producto deseada o de la potencia de calentamiento o enfriamiento necesaria. También son decisivos el estado del producto, la conductividad térmica, el grado de llenado, la viscosidad, los posibles cambios de fase, la duración del mezclado, los requisitos higiénicos y una posible operación al vacío o a presión.
En mezcladores cerrados, la transmisión de calor se realiza generalmente de forma indirecta. El medio termorregulador permanece separado del producto y cede calor al material a mezclar, o lo absorbe de él, a través de la pared del recipiente o de elementos internos termorregulados. El movimiento de mezclado renueva continuamente la capa de producto en las superficies de transmisión de calor y mejora así la transferencia térmica. Este principio es especialmente adecuado para productos sensibles, tóxicos, con contenido de disolventes, que generan polvo o con exigencias higiénicas elevadas.
La ejecución estándar es una doble camisa en la cámara de mezclado cilíndrica y, en su caso, en el fondo cónico o abombado. Por la camisa circula un medio calefactor o refrigerante. Para tareas de calentamiento se emplean agua caliente, agua sobrecalentada, vapor o aceite térmico. El agua caliente y el agua sobrecalentada son adecuadas para rangos de temperatura moderados y procesos bien regulables. El vapor permite altos flujos de calor y tiempos de calentamiento cortos, pero requiere un diseño de presión adecuado, una conducción de condensados apropiada y una evaluación de seguridad. Se prefiere el aceite térmico cuando se requieren temperaturas más altas o un rango de temperatura amplio. Para tareas de enfriamiento se emplean sobre todo agua de refrigeración, mezclas de agua y glicol o salmuera. Para temperaturas por debajo del punto de congelación del agua puede ser necesaria una instalación frigorífica especialmente diseñada.
La camisa del recipiente puede ejecutarse como doble camisa convencional, camisa de canales, serpentín de medio tubo o camisa de placas tipo cojín. Qué tipo constructivo es adecuado depende de la presión admisible del medio termorregulador, la potencia térmica necesaria, el rango de temperatura, la geometría del recipiente y el diseño mecánico. Los serpentines de medio tubo, por ejemplo, son adecuados para presiones altas del lado del medio. Las camisas de canales o de placas tipo cojín pueden permitir una conducción del flujo específica. Sin embargo, la capacidad de transmisión de calor no depende únicamente del tipo de camisa. También son esenciales el medio, la velocidad de flujo, la diferencia de temperatura, la propensión al ensuciamiento, el movimiento del producto y el tiempo de contacto del material a mezclar con la pared del recipiente.
Una camisa del recipiente suele ser suficiente cuando el producto se recircula bien, basta con una velocidad de calentamiento o enfriamiento moderada y no deben respetarse tolerancias de temperatura muy estrechas. Sin embargo, en productos con baja conductividad térmica, muy viscosos, pastosos o fuertemente aislantes, la superficie de la camisa por sí sola puede resultar demasiado pequeña. En estos casos puede resultar conveniente termorregular además el eje de mezclado y las herramientas de mezclado.
Un eje de mezclado termorregulado se ejecuta como eje hueco, a través del cual circula un medio calefactor o refrigerante. Los brazos mezcladores, las herramientas helicoidales o las cintas de tornillo también pueden ejecutarse huecas y diseñarse para ser termorreguladas. De este modo, la aportación o extracción de calor no se produce solo a través de la pared del recipiente, sino también en el interior del producto. La superficie de transmisión de calor activa aumenta y se acortan los largos trayectos de calor a través del material a granel. Esto puede ser especialmente ventajoso en el secado por contacto a vacío, en productos pastosos o en cristalización, en fases intermedias viscoplásticas, así como en reacciones con una alta liberación de calor o requisitos de temperatura estrictos.
El suministro de los ejes y herramientas de mezclado termorregulados se realiza mediante juntas rotativas adecuadas. Estas deben diseñarse en función del medio termorregulador, la presión, la temperatura, la velocidad de giro, los requisitos de estanqueidad y las necesidades de mantenimiento. En el caso de vapor, aceite térmico o medios criogénicos, la elección del material, la dilatación térmica, la solicitación de las juntas y los aspectos de seguridad son especialmente importantes. Las herramientas internas termorreguladas mejoran la transferencia de calor, pero también aumentan la complejidad técnica, el esfuerzo de limpieza y los costes de inversión. Por ello, su uso debe decidirse en función de la necesidad real de potencia de transmisión de calor y mediante ensayos con el producto.
Las superficies de termorregulación adicionales pueden ser útiles ante requisitos de proceso especiales. Una tapa termorregulada, por ejemplo, puede evitar que los vapores condensen en una superficie fría de la tapa, que las gotas caigan de nuevo sobre el producto o que se formen adherencias locales. Si se requiere una tapa calefactada depende sobre todo de la temperatura del producto, la presión de vapor, el nivel de vacío, la geometría de la tapa y la conducción de los vahos. También pueden termorregularse los órganos de descarga, las bocas de producto, los filtros, las lanzas de dosificación u otros elementos internos. Esto es especialmente relevante en aglutinantes que funden o solidifican, formulaciones con contenido graso, medios en cristalización y adiciones de líquido viscosas. El objetivo es evitar puntos fríos críticos y mantener la viscosidad o la fluidez dentro del rango deseado.
Las calefacciones eléctricas de camisa, las bandas o mantas calefactoras son una alternativa cuando solo se necesita una potencia de calentamiento moderada o cuando la instalación debe funcionar de forma independiente de un circuito central de fluido térmico. Son adecuadas para tareas puramente de calentamiento, pero no ofrecen una función directa de enfriamiento. Con potencias altas, temperaturas elevadas o cambios rápidos de temperatura, los circuitos de termorregulación con agua, vapor o aceite térmico suelen ser mejor regulables y más rentables.
El vacío puede complementar de forma útil la conducción de temperatura. Bajo presión reducida disminuye la temperatura de evaporación del agua o de los disolventes. En combinación con una camisa del recipiente calefactada y, en su caso, herramientas de mezclado termorreguladas, esto posibilita un secado por contacto y a vacío a una temperatura de producto comparativamente baja. Son requisitos previos un mezclador resistente al vacío y suficientemente estanco, juntas de eje y de tapa adecuadas, un filtro de vahos, un sistema de vacío y, en productos con contenido de disolventes, una unidad adecuada de condensación y recuperación.
El vacío reduce la temperatura de ebullición, pero por sí mismo no aporta energía de evaporación. Esta debe introducirse en el producto a través de la camisa del recipiente, el eje de mezclado, las herramientas de mezclado u otras superficies de transmisión de calor. Precisamente en los polvos, que conducen mal el calor y contienen mucho aire ocluido, la combinación de una buena recirculación del producto y superficies termorreguladas suficientemente grandes es decisiva para un secado eficaz.
Para una regulación precisa de la temperatura se emplean puntos de medición de temperatura en el producto, así como en la ida y el retorno del medio termorregulador. En procesos críticos pueden ser útiles sensores adicionales en el eje, la tapa, el filtro o el órgano de descarga. Una regulación en cascada puede conducir la temperatura del producto a través de la temperatura o el flujo másico del medio calefactor o refrigerante. En reacciones exotérmicas o en productos térmicamente sensibles, los límites de temperatura, las funciones de alarma y una respuesta de seguridad definida ante el fallo de la refrigeración, del órgano mezclador o del suministro de energía forman parte del concepto de proceso.
Así resuelve amixon® esta tarea
Qué opciones de termorregulación, es decir, de calentamiento y enfriamiento, están disponibles en los mezcladores verticales de un solo eje depende, en amixon®, del concepto de aparato y de proceso. Las posibilidades abarcan desde la doble camisa termorregulable hasta la termorregulación completa de todos los elementos de mezclado y funcionales en contacto con el producto. De este modo, la conducción de temperatura no se realiza como un paso posterior, sino como una función de proceso integrada directamente durante el mezclado, la reacción, el acondicionamiento o el secado.
Los mezcladores amixon® pueden equiparse, a petición, con una doble camisa para calentar, enfriar y, en su caso, para el secado a vacío. Esto se aplica, por ejemplo, al mezclador de un solo eje EM, cuya doble camisa puede emplearse para tareas de termorregulación y de secado a vacío, así como a los mezcladores verticales de un solo eje de la serie VM con superficies de camisa calefactables y refrigerables. En los reactores secadores-mezcladores VMT y AMT, el alcance de la termorregulación puede ampliarse considerablemente: además de la camisa del recipiente, también pueden termorregularse el eje de mezclado, las herramientas de mezclado con brazos y hélice, las aberturas de acceso, los órganos de descarga y el filtro de vahos. De este modo se dispone de una gran superficie de intercambio de calor no solo en la pared del recipiente, sino también directamente dentro del volumen de producto en movimiento.
Como fluidos térmicos pueden emplearse agua, vapor o aceite térmico. Con el mismo sistema de termorregulación pueden realizarse tanto tareas de calentamiento como de enfriamiento, siempre que el suministro de medios correspondiente esté diseñado en consecuencia. Qué medio se emplea depende del rango de temperatura requerido, la velocidad de calentamiento o enfriamiento deseada, la infraestructura disponible, así como los requisitos del producto y el proceso concretos. Mientras que el agua constituye una solución bien regulable para muchas tareas de termorregulación moderadas, el vapor es adecuado para altos flujos de calor y procesos de calentamiento rápidos. El aceite térmico puede ser ventajoso cuando se requieren temperaturas altas o amplios rangos de temperatura.
Precisamente en los lechos de polvo, la transmisión de calor suele ser el factor limitante. Los polvos conducen el calor de forma comparativamente deficiente, suelen contener aire y, sin una mezcla suficiente, forman capas de producto aislantes en las superficies de transmisión de calor. amixon® afronta este reto combinando grandes superficies específicas de intercambio de calor con una recirculación intensa del producto. El flujo total SinConvex® conduce continuamente producto fresco a la camisa, el eje y las herramientas de mezclado. De este modo, la transmisión de calor y el intercambio de materia pueden producirse rápidamente incluso en aparatos de gran tamaño. Este principio se emplea, por ejemplo, en reactores cónicos de 30 m³ para el tratamiento de almidón, cuyas superficies están ejecutadas de forma completamente termorregulable.
Los casos de aplicación típicos son el mantenimiento de grasas por encima de su punto de fusión, para permitir una incorporación sin grumos y procesar grasas fundidas de forma controlada. Otras aplicaciones son el enfriamiento de sistemas reactivos, la conducción de perfiles de temperatura definidos para la cristalización o el acondicionamiento, así como la aceleración del secado a vacío a baja temperatura del producto. En el secado a vacío, la presión reducida disminuye la temperatura de evaporación; la energía de evaporación necesaria se introduce en el producto a través de las superficies termorreguladas. Una termorregulación de gran superficie de la camisa y del órgano mezclador favorece con ello tiempos de secado cortos y reproducibles.
Los perfiles de temperatura y tiempo pueden almacenarse como programa de mezclado en el PLC. De este modo, los procesos pueden ejecutarse de forma reproducible lote a lote y adaptarse a distintas recetas. La evolución de la temperatura del producto y del par también puede utilizarse para detectar cambios de estado en el producto y determinar con mayor seguridad los puntos finales del proceso, por ejemplo en el secado, el acondicionamiento, la aglomeración o la incorporación de masas fundidas.
Dado que cada aparato amixon® se diseña como una pieza única específica para el cliente, sobre la base de una especificación de requisitos de usuario (URS), el alcance de la termorregulación, las superficies de intercambio de calor, la potencia de conexión, la conducción de medios y la regulación se definen de forma específica para cada proyecto. Las instalaciones existentes pueden mejorarse técnicamente en el marco de modernizaciones y reequipamientos, siempre que la construcción, el diseño de presión, los espacios de montaje disponibles y el suministro de medios lo permitan. El comportamiento térmico del producto concreto puede comprobarse previamente en el centro de ensayos de amixon®, dentro del rango de temperatura y presión previsto, de modo que la transmisión de calor, el comportamiento de mezclado, la duración del secado y los posibles estados críticos del producto puedan evaluarse de forma realista.
Para entornos de producción regulados, las instalaciones amixon® pueden ejecutarse de forma cualificable y documentada. La empresa apoya en este proceso las fases de cualificación DQ, IQ y OQ; la ejecución y la documentación pueden orientarse a requisitos como EU-GMP y FDA 21 CFR Part 11. Según el proyecto, también pueden tenerse en cuenta requisitos y estándares pertinentes como EHEDG, las directrices de higiene de la FDA, 3-A Sanitary Standards, USDA, GMP, ATEX y ASME. La función de termorregulación no se considera así de forma aislada, sino integrada en todo el concepto de validación, seguridad y proceso de la instalación.
amixon® desarrolla y fabrica sus aparatos en la planta de Paderborn con un alto grado de fabricación propia y un control de calidad continuo. La construcción específica para cada pedido, sobre la base de la URS correspondiente, permite adaptar con precisión la termorregulación, la geometría del aparato, las superficies, las juntas, los materiales, los puntos de medición y la automatización a la tarea de producción. Esta soberanía de fabricación favorece al mismo tiempo la disponibilidad de repuestos y la posibilidad de reequipamiento a largo plazo, ya que los componentes y las especificaciones quedan documentados y siguen siendo trazables incluso a lo largo de periodos de uso prolongados.