¿Qué parámetros de diseño son decisivos para lograr tiempos de mezclado cortos y una calidad de mezcla alta en lotes grandes?
En lotes grandes, los tiempos de mezclado cortos y una alta calidad de mezcla no surgen únicamente de la velocidad de giro máxima o de una elevada potencia específica. Lo decisivo es que la geometría del recipiente, la herramienta de mezclado, el grado de llenado, las propiedades del producto, la estrategia de adición y la descarga se coordinen entre sí de modo que todo el volumen de mezclado se recircule de forma repetida, controlada y lo más cuidadosa posible. El diseño definitivo debe asegurarse con producto original y en condiciones de lote realistas, porque precisamente entre 10 y 100 m³ pequeñas desviaciones en el flujo de producto, la dosificación o el vaciado pueden tener repercusiones considerables en la homogeneidad y el rendimiento.
Recipiente y grado de llenado
La geometría del recipiente debe permitir un movimiento tridimensional del producto y minimizar las zonas muertas. La relación entre altura y diámetro, la forma del fondo, los radios de transición, los elementos internos, las distancias a la pared y la ubicación de la descarga influyen en la rapidez con la que el producto de todas las zonas alcanza la zona de mezclado activa. No existe un valor objetivo universalmente válido para la relación de aspecto en los mezcladores de sólidos; depende del principio de mezclado. Un mezclador vertical cilíndrico, un mezclador cónico, un mezclador de dos ejes y un mezclador horizontal de rejas de arado necesitan, cada uno, geometrías distintas para generar el flujo de producto deseado.
Tampoco el grado de llenado es un valor universal. Muchos mezcladores de caída libre y horizontales de sólidos trabajan con un recipiente parcialmente lleno, ya que para la recirculación del producto se necesita espacio libre. Como rango orientativo aproximado se emplea con frecuencia entre el 40 y el 70 % del volumen del recipiente; con un llenado excesivo disminuye la recirculación libre y aumenta el tiempo de mezclado. Otras formas constructivas de mezclador pueden funcionar de forma razonable —dependiendo de la geometría de la herramienta y del producto— también con grados de llenado claramente más bajos o más altos. Lo decisivo es que el rango admisible se demuestre mediante ensayos de mezclado para la receta concreta.
En lotes grandes, la masa del lote es tan importante como el volumen. Un mezclador de 50 m³ puede requerir, con una densidad aparente de 0,2 t/m³, un diseño de accionamiento y descarga completamente distinto que con 1,2 t/m³. Por ello, el diseño debe tener en cuenta el volumen útil, la masa máxima, el rango de densidad aparente, las cargas sobre la pared, el par de arranque, la compactación del producto y las fluctuaciones de lote realmente previstas.
Herramienta y cinemática
Para lograr tiempos de mezclado cortos en lotes grandes, la recirculación convectiva suele ser el mecanismo más importante. La herramienta de mezclado no debe mover el producto solo localmente, sino integrar las zonas de borde, fondo, tapa y núcleo en un intercambio tridimensional recurrente. Según la tarea, entran en consideración herramientas helicoidales, de cinta helicoidal, de paletas, de rejas de arado, de banda o de varios ejes. La elección se orienta según la cohesividad, la distribución del tamaño de partícula, la densidad aparente, la humedad, la abrasividad, la sensibilidad y la desaglomeración requerida.
La forma de la herramienta, su número, la superposición de las zonas de mezclado y las distancias a la pared del recipiente determinan el tiempo de recirculación de todo el volumen. Unas holguras de pared demasiado grandes pueden provocar zonas marginales mal mezcladas y acumulación de producto. Unas holguras demasiado pequeñas, en cambio, aumentan el riesgo de abrasión, rotura de partículas, generación de calor y pares de arranque inadmisiblemente altos. Por ello, en productos abrasivos o sensibles, la distancia técnicamente correcta es siempre un compromiso entre el efecto de mezclado, el desgaste y el cuidado del producto.
La velocidad de giro y la velocidad periférica deben elegirse de modo que se genere el movimiento de producto deseado sin favorecer la segregación, la centrifugación o una cizalla excesiva. En los sistemas rotativos de caída libre, el número de Froude es una magnitud útil. Describe la relación entre las fuerzas de inercia y las gravitatorias: Fr = ω²R/g. Al aumentar el número de Froude cambian los regímenes de movimiento, desde el rodado y la cascada hasta el cataracting o la centrifugación. Sin embargo, un simple valor objetivo como Fr ≈ 1 no es recomendable de forma general para mezcladores de sólidos de gran volumen. Con Fr = 1, en muchos sistemas rotativos ya comienza la centrifugación; para un mezclado por caída libre cuidadoso se emplean normalmente valores claramente más bajos.
El aporte específico de potencia P/V es un valor de comparación útil, pero no un criterio de escalado suficiente por sí solo. Una densidad de potencia igual no garantiza automáticamente trayectorias de producto, tiempos de permanencia o calidades de mezcla idénticos. En los sistemas líquidos y pastosos, el número de Reynolds y el número de Newton complementan el diseño. El número de Reynolds caracteriza la relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas, mientras que el número de Newton describe la potencia consumida en función de la herramienta, la velocidad de giro, la densidad y el estado de flujo. Para los polvos secos, en cambio, la cohesividad, la fricción con la pared, la función de flujo, el movimiento de partículas, el contenido de aire y la tendencia a la segregación suelen ser más decisivos que los números adimensionales hidrodinámicos clásicos.
Receta y dosificación
Las propiedades de los componentes determinan cuán exigente es la tarea de mezclado. Las grandes diferencias en el tamaño de partícula, la forma de partícula o la densidad aparente aumentan el riesgo de segregación. Las partículas finas pueden percolar entre partículas más gruesas; las partículas más densas, en determinadas condiciones, tienden a desplazarse hacia abajo en los lechos a granel. Una distribución amplia del tamaño de partícula, así como diferencias de densidad y de la relación entre altura de caída y diámetro del recipiente, pueden intensificar la segregación durante el llenado y la descarga.
En los polvos cohesivos, la tendencia a la segregación suele ser menor, pero al mismo tiempo pueden aparecer aglomerados, puentes y una humectación desigual. En ese caso puede ser necesario un intercambio convectivo más intenso o una desaglomeración localmente limitada. En los polvos con muy buena fluidez, en cambio, suele predominar la prevención de la segregación. En recetas adecuadas, una adición selectiva de líquido puede unir partículas finas a partículas portadoras más gruesas. Esto debe dosificarse con cuidado para evitar una sobrehumectación local, aglomerados no deseados o un empeoramiento de la fluidez.
El punto y el orden de adición son especialmente importantes en lotes grandes. Los componentes minoritarios, los principios activos, los pigmentos o los aditivos no deberían caer en zonas marginales de flujo escaso, sino dosificarse en una zona de mezclado activa. Las premezclas geométricas pueden ser necesarias con proporciones de dosificación muy bajas. La duración de la dosificación y el momento de inicio deben ajustarse al tiempo de recirculación del mezclador. Una adición muy rápida en una zona localmente limitada puede generar un pico de concentración que, incluso con un mezclado más prolongado, no siempre se resuelve de forma fiable.
Descarga y escalado
Una calidad de mezcla elevada solo es relevante para el proceso si se mantiene durante la descarga y el transporte posterior. La descarga debería diseñarse de modo que se favorezca el flujo másico. En el flujo másico, el material se mueve hacia la salida a través de toda la sección del recipiente; esto puede reducir la segregación frente al flujo de canal o de embudo. Por ello, una geometría de tolva diseñada para flujo másico, secciones de salida suficientemente grandes, inclinaciones de pared adecuadas y un órgano de descarga coordinado son magnitudes de diseño centrales.
También deben tenerse en cuenta las alturas de caída, los puntos de transferencia, las cintas transportadoras, las conducciones de transporte neumático y los depósitos intermedios. Los tramos de caída libre grandes pueden provocar una clasificación por trayectoria y por tamaño. Las vibraciones, las corrientes de aire y el trasvase repetido pueden volver a empeorar la homogeneidad lograda en el mezclador. Por ello, en recetas críticas son necesarias muestras escalonadas en el tiempo durante la descarga y en el último punto de proceso relevante.
El escalado no debe basarse en un único indicador. La semejanza geométrica, el número de Froude, la velocidad periférica, el aporte específico de potencia, el número de revoluciones de la herramienta y el tiempo de recirculación pueden ser magnitudes de comparación útiles según el principio de mezclado. Sin embargo, pueden perseguir objetivos distintos y no siempre pueden mantenerse constantes al mismo tiempo. Especialmente en el caso de los sólidos, es por ello razonable combinar la modelización, por ejemplo mediante CFD o DEM, con ensayos de mezclado representativos. La simulación puede visualizar zonas críticas, trayectorias del producto y posibles mecanismos de segregación; no obstante, debe validarse con datos de medición del producto real.
Los tiempos de mezclado cortos y una alta calidad de mezcla en lotes grandes se logran cuando la herramienta de mezclado recircula todo el volumen de producto de forma controlada y repetida. Precisamente para ello están diseñados los mezcladores verticales y cónicos amixon® VM, HM y AM con herramientas de mezclado SinConvex®. El producto se transporta hacia arriba en la zona próxima a la pared, fluye hacia abajo en el centro por efecto de la gravedad y a continuación se reincorpora a la zona de mezclado activa. Esta verströmación total tridimensional conecta entre sí todas las zonas del producto y reduce el riesgo de que se formen zonas marginales o centrales mal mezcladas.
En el mezclador vertical de doble eje amixon® HM se superponen dos corrientes de producto. Con una receta adecuada, un grado de llenado apropiado y una velocidad de giro coordinada, esto puede permitir tiempos de mezclado especialmente cortos. La serie estándar cubre tamaños de hasta aproximadamente 20.000 litros; los aparatos de mayor tamaño pueden ejecutarse de forma específica para el proyecto hasta aproximadamente 50 m³. El mezclador KoneSlid® KS también trabaja con una recirculación forzada tridimensional activa. Todo el volumen del lote puede quedar recirculado una vez tras aproximadamente cuatro revoluciones de la herramienta. Según el producto, el grado de llenado, la estructura de partícula y la homogeneidad deseada, la mezcla aleatoria técnicamente ideal puede alcanzarse tras aproximadamente 20 a 40 revoluciones. Sin embargo, estos valores no constituyen una prueba de rendimiento universal, sino que deben validarse con producto original.
El tamaño de un lote no determina por sí solo el tiempo de mezclado ni la calidad de mezcla. También son relevantes la densidad aparente, el grado de llenado, la distribución del tamaño de partícula, la forma de partícula, la cohesividad, la humedad, la estructura del aglomerado, las proporciones de dosificación y el cuidado del producto requerido. Con grandes diferencias de densidad aparente o de tamaño de grano puede producirse segregación durante la descarga, en los tramos de caída o en el transporte posterior. La geometría del recipiente y el mezclador no lo impiden de forma general. Por ello, un tiempo de mezclado corto solo es una ventaja de proceso cuando la homogeneidad se mantiene hasta el envasado.
Los mezcladores amixon® pueden operarse, según la forma constructiva y el producto, en un amplio rango de grado de llenado de aproximadamente el 10 al 100 % del volumen útil. Si la mezcla aleatoria técnicamente ideal se alcanza realmente en todo el rango debe confirmarse para la receta concreta. En particular, con cantidades de llenado pequeñas, componentes muy distintos o adiciones de baja dosis, el tiempo de mezclado requerido y la homogeneidad pueden variar. Para lotes muy grandes, en el rango de aproximadamente 10 a 100 m³, está disponible el Gyraton® GM. El diseño puede orientarse hacia una potencia de accionamiento especialmente baja y un cuidado del producto elevado, o hacia tiempos de mezclado cortos con el correspondiente mayor aporte de potencia.
La descarga es una parte decisiva del diseño global del proceso. El tiempo ganado en el proceso de mezclado no debe perderse por tiempos de vaciado largos ni por una segregación posterior. Los elementos ComDisc® pueden favorecer un vaciado residual extenso y conducir el producto de las zonas cercanas al fondo, de forma controlada, hacia la salida. En el KoneSlid® KS, un sistema de cierre descendible puede liberar una gran sección de salida. En productos con fluidez suficiente, esto permite un vaciado rápido en pocos segundos. No obstante, un vaciado residual de hasta el 99,98 % siempre debe referirse al producto concreto, al grado de llenado y a la ejecución del aparato. En productos cohesivos, húmedos o adherentes, el comportamiento de vaciado puede diferir.
Las armaduras DosiFlap® favorecen un envasado dosificado y con pocos espacios muertos en los envases posteriores. Si el vaciado y el envasado se realizan realmente sin segregación debe comprobarse a lo largo de todo el recorrido del proceso. Esto incluye la salida del mezclador, las alturas de caída, los puntos de transferencia, los órganos de transporte, los recipientes de pesaje, los big bags, los IBC o las máquinas envasadoras. En recetas críticas deberían tomarse y analizarse muestras escalonadas en el tiempo durante toda la descarga.
El cuidado del producto se ve favorecido por una forma de mezclado comparativamente de baja velocidad. La velocidad periférica de las herramientas de mezclado puede ajustarse, según el mezclador y la tarea, entre aproximadamente 0,8 y 3,5 m/s. La recirculación forzada SinConvex® genera el efecto de mezclado mediante un movimiento continuo del producto y evita zonas marcadas de proyección, impacto o aplastamiento. Con ello pueden homogeneizarse partículas sensibles, granulados recubiertos o aglomerados instantáneos con un aporte de energía mecánica y térmica limitado. Cuando se requiere una desaglomeración dirigida, pueden conectarse rotores de corte de forma local y por tiempo limitado. Así, la intensidad puede concentrarse en la fase de proceso realmente necesaria, sin someter permanentemente todo el lote a una solicitación elevada.
Para un diseño robusto, el tiempo de mezclado, la velocidad de giro, el grado de llenado, el orden de carga, la estrategia de dosificación y las condiciones de descarga se estudian en el centro de ensayos amixon® con producto original. En ello no solo se evalúan la homogeneidad y el tiempo de mezclado, sino también el cuidado del producto, el aporte de energía, la desaglomeración, el vaciado residual, el riesgo de segregación, la limpiabilidad y la reproducibilidad. Los resultados documentados constituyen la base para la planificación del tiempo de ciclo, el rendimiento y la capacidad antes de la inversión.
La construcción higiénica favorece un procesamiento seguro con cambios de producto frecuentes y elevados requisitos de calidad. Las cámaras de mezclado soldadas sin juntas y rectificadas, los órganos mezcladores apoyados únicamente en la parte superior sin paso de eje inferior en la zona de producto, las grandes puertas de inspección CleverCut® con juntas OmgaSeal®, los órganos de descarga con pocos espacios muertos y las lanzas de lavado integradas facilitan la accesibilidad, la limpieza y la validación. Con ello, la limpieza en seco y en húmedo puede implementarse de forma específica para cada proceso. Según el proyecto, son posibles ejecuciones conforme a EHEDG, así como teniendo en cuenta las directrices higiénicas de la FDA y las normas 3-A Sanitary Standards.