¿Qué reglas de escalado rigen para la conversión de los tiempos de mezclado del laboratorio a la escala de producción?
El escalado de los procesos de mezclado de polvos se basa sobre todo en la semejanza geométrica, en propiedades de producto comparables y en la conservación del mecanismo de mezclado dominante. Lo decisivo no es trasladar por cálculo un tiempo de mezclado determinado del laboratorio, sino alcanzar a mayor escala la misma calidad de mezcla demostrable y la misma estabilidad frente a la segregación.
Un requisito favorable es la semejanza geométrica entre el mezclador de laboratorio, el del centro de ensayos y el de producción. A ello pertenecen geometrías comparables de recipiente y de herramienta de mezclado, los mismos elementos internos, condiciones de carga y de descarga similares así como un grado de llenado comparable. En los mezcladores de polvo geométricamente semejantes, el grado de llenado debería mantenerse lo más constante posible durante el escalado.
Según el tipo de mezclador se emplean criterios diferentes. En los mezcladores de volteo, de contenedor, de doble cono o en V, el número de revoluciones del recipiente es con frecuencia un punto de partida razonable. En los mezcladores de acción convectiva con herramienta de mezclado, en cambio, pueden servir de orientación la velocidad periférica, la velocidad de giro, las aportaciones específicas de energía o el número de revoluciones de la herramienta. Qué criterio es determinante depende de si el proceso de mezclado se rige por la convección, la cizalla, la reordenación de las partículas o, en su caso, la desaglomeración. Para los mezcladores de polvo geométricamente semejantes, la literatura menciona en particular la conservación del número total de revoluciones como enfoque relevante para el escalado.
Un tiempo de mezclado más largo a escala de producción no es por tanto inevitable. Con una geometría similar, el mismo grado de llenado y un mecanismo de mezclado comparable, el número de revoluciones necesario puede seguir siendo parecido. El tiempo de mezclado real puede aumentar de todos modos si la velocidad de giro debe reducirse por razones de protección del producto, de solicitación mecánica, de protección contra explosiones o de potencia de accionamiento. Igualmente, la carga, el tiempo de dosificación, el vaciado y el transporte posterior pueden repercutir en el tiempo total del proceso.
Las propiedades del producto tienen una importancia especial. La distribución granulométrica, la densidad aparente, la cohesión, la humedad, la carga electrostática, la resistencia de los aglomerados y la fluidez deben mantenerse lo más comparables posible. De lo contrario, el mecanismo de mezclado puede cambiar durante el escalado o puede aumentar el peligro de segregación. Esto se aplica en particular a las mezclas con grandes diferencias de densidad o de tamaño de grano así como a las microdosificaciones. En el escalado hay que comprobar por tanto si el mecanismo dominante en la escala de laboratorio se conserva también en el mezclador de producción.
Para los polvos, las pastas o los materiales a granel húmedos exigentes, los números característicos adimensionales como el número de Froude, así como la velocidad periférica o la aportación específica de potencia, pueden ser útiles como complemento. Sin embargo, no sustituyen a los ensayos con productos originales. Los números de Reynolds y de Newton son primordialmente magnitudes características del flujo de líquidos y no deberían utilizarse como base general para convertir tiempos de mezclado en el mezclado de polvos secos.
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.
Un escalado sólido se realiza por tanto habitualmente por etapas, a través del laboratorio, la escala de centro de ensayos o piloto y la producción. En ello se investigan la calidad de mezcla, el tiempo de mezclado, el grado de llenado, la velocidad de giro, la secuencia de carga y, en su caso, la desaglomeración. La valoración no debería basarse únicamente en un valor medio, sino tener en cuenta también la toma de muestras espacial, la dispersión analítica y la tendencia a la segregación después de la descarga.
Qué reglas de escalado aplica amixon® y dónde los ensayos las sustituyen
amixon® escala desde el recipiente de laboratorio hasta el mezclador de producción de gran volumen sobre la base de una geometría definida, un flujo calculable y ensayos de mezclado documentados. El objetivo es siempre la calidad de mezcla ideal.
La calidad de mezcla ideal como objetivo
- Todas las familias de mezcladores de amixon® están concebidas para generar una mezcla aleatoria técnicamente ideal.
- Incluso con composiciones de componentes de hasta aproximadamente 1:100.000 y en todo el rango de grados de llenado se alcanza, tras un tiempo de mezclado corto, una distribución que en la práctica no se puede mejorar.
- Esta calidad de mezcla se aplica tanto a los mezcladores verticales como al mezclador de esfera hueca.
La base geométrica: la frecuencia de recirculación
- El escalado se basa en un principio de flujo claramente definido.
- La frecuencia de recirculación describe cuántas veces la hélice del órgano mezclador SinConcave®/SinConvex® transporta el conjunto del producto.
- Una recirculación corresponde al volumen completo de la cámara de mezclado movido una vez hacia arriba por la herramienta de mezclado; la gravedad se encarga del retorno hacia abajo.
El caudal de la herramienta de mezclado (caudal volumétrico de desplazamiento) se puede describir de forma aproximada mediante:
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
donde:
- I_V: caudal volumétrico de desplazamiento o de transporte
- D/d: diámetro exterior e 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
Con ello se puede calcular cuántas recirculaciones completas tienen lugar por tiempo de mezclado, con independencia de la escala. Si la geometría se escala de forma congruente (D, d, S, ζ), la capacidad de mezclado específica se mantiene en principio igual en todos los tamaños constructivos.
Del recipiente de laboratorio a la máquina de producción
- La fórmula de recirculación permite dimensionar con fundamento máquinas de mezclado mayores o menores.
- Para el escalado se traslada la relación «recirculaciones por tiempo de mezclado» del ensayo de laboratorio o del centro de ensayos al tamaño de destino.
- La frecuencia de giro, el tiempo de mezclado y el grado de llenado del mezclador de producción se eligen de modo que el producto experimente el mismo número de «mezclas estadísticas» que en el ensayo.
Precisamente en los mezcladores esféricos o cónicos de gran volumen este enfoque resulta útil: los tiempos de mezclado no se estiman, sino que se derivan de las propiedades de transporte y del patrón de flujo y se cotejan con los datos de ensayo.
Los ensayos de mezclado como respaldo desde la ingeniería de procesos
- Pese al cálculo, el centro de ensayos sigue siendo el paso central del escalado.
- Los ensayos de mezclado en condiciones reales –con el producto original, grados de llenado reales y perfiles de temperatura– verifican las hipótesis teóricas.
- Así se detectan pronto las tendencias a la segregación, el comportamiento de los aglomerados, la protección del producto y la limpiabilidad, y se incorporan al dimensionado.
Constante en todos los tamaños constructivos
En todos los tamaños constructivos, en amixon® se mantienen constantes tres factores esenciales:
- el principio de mezclado (flujo total SinConcave®/SinConvex®: hacia arriba en la periferia, hacia abajo en el centro)
- la geometría característica de la herramienta
- la calidad de mezcla independiente del grado de llenado, con las máximas calidades ya a partir de un grado de llenado de en torno al 10 %
Los tiempos de mezclado cambian solo de forma moderada al pasar del laboratorio a la producción. Se determinan en el ensayo, ya que dependen del comportamiento de flujo, de las diferencias de densidad y de la cohesión del producto concreto y no se pueden extrapolar con una simple fórmula empírica.