Superficie
El término «superficie» tiene una importancia fundamental en la ingeniería de procesos. Describe la interfaz entre un sólido y su entorno. En mezcladores, secadores de contacto y reactores de síntesis, se trata de la interfaz entre el aparato de proceso y el producto. Esta interfaz influye en el comportamiento del producto durante todo el proceso.
Desde el punto de vista físico, la superficie es una zona de mayor energía. Los átomos y moléculas de la superficie no están completamente unidos. De ello se deriva una energía superficial que determina el comportamiento de humectación y adhesión. Esta energía influye en si un producto se adhiere o se desliza fácilmente.
La energía superficial se designa con el símbolo γ.
γ = dW / dA
- γ es la energía superficial en J/m²
- dW es el trabajo reversible para generar una nueva superficie
- dA es la superficie recién generada
En la teoría de la humectación, la energía superficial se describe a menudo mediante el ángulo de contacto; la ecuación de Young es la siguiente:
γSV = γSL + γLV ·cos(θ)
- γSV es la energía superficial de la interfaz sólido-gas
- γSL es la energía de interfaz entre el sólido y el líquido
- γLV es la energía superficial del líquido
- θ es el ángulo de contacto
Desde el punto de vista químico, la superficie es el lugar donde pueden producirse interacciones. Aquí pueden producirse adsorción, reacciones químicas o efectos catalíticos. Por lo tanto, para los aparatos de proceso es fundamental que la superficie sea químicamente inerte. No debe ceder componentes al producto ni favorecer reacciones. Por eso se utilizan preferentemente aceros resistentes a la corrosión y materiales a base de níquel. Existe un artículo en el glosario sobre este tema: «Materiales a base de níquel».
Entre los componentes que entran en contacto con el producto se encuentran la cámara de mezcla, las herramientas de mezcla, las juntas y los accesorios. Ninguna de estas superficies debe ejercer influencias físicas o químicas sobre el material mezclado. Además de la elección del material, el diseño geométrico también desempeña un papel importante. Se deben evitar las zonas muertas, las hendiduras y los socavados en el diseño. El objetivo es lograr una descarga completa del producto al final del proceso.
La textura de la superficie influye directamente en la adherencia y la facilidad de limpieza. Las superficies lisas reducen la superficie de contacto real entre el producto y el aparato. Esto reduce las fuerzas de adhesión y la adherencia del producto. Al mismo tiempo, se minimiza el riesgo de residuos y contaminación cruzada.
La calidad de una superficie se describe mediante valores característicos de rugosidad. En la industria de procesos, el parámetro más común es la rugosidad media Ra. Los requisitos habituales son Ra inferior a 0,8 micrómetros. Para aplicaciones farmacéuticas y con altos requisitos higiénicos, a menudo se exigen valores inferiores a 0,4 micrómetros. A medida que disminuye la rugosidad, se reduce el anclaje mecánico de las partículas en la superficie.
Ra se define como la media aritmética de las desviaciones absolutas del perfil de rugosidad.
Ra = (1 / L) · ∫₀ᴸ |z(x)| dx
z(x) es la desviación del perfil y L la longitud de medición. En la industria de procesos, los requisitos típicos son Ra < 0,8 µm. Para aplicaciones farmacéuticas e higiénicas, a menudo se exige Ra < 0,4 µm. A medida que disminuye la rugosidad, se reduce el anclaje mecánico de las partículas. La superficie efectiva A_eff de un aparato es mayor que la superficie geométrica A_geo. La relación se puede describir de forma simplificada como:
Aeff = Ageo · (1 + k)
- Aeff es la superficie efectiva real
- Ageo es la superficie geométrica idealmente lisa
- k es el factor de rugosidad
El factor de rugosidad k aumenta con el aumento de la rugosidad. Además del mecanizado, la superficie puede someterse a un electropulido. Durante el electropulido se eliminan preferentemente los picos de rugosidad microscópicos. El resultado es una superficie muy homogénea, lisa y pasiva. Al mismo tiempo, el cromo se acumula en la superficie, lo que aumenta la resistencia a la corrosión. En superficies electropulidas, en casos concretos se observa un comportamiento de limpieza contrario. A veces, el producto de limpieza no puede eliminar bien la suciedad. El motivo es la suavidad de la superficie. Debido a la abrasividad más o menos pronunciada, en los aparatos de procesamiento de sólidos, la superficie en contacto con el producto se vuelve cada vez más lisa a lo largo de su vida útil.
Una superficie de alta calidad suele facilitar la descarga completa del producto. Se reducen las pérdidas de producto. El esfuerzo de limpieza también se reduce significativamente. Los procesos de limpieza en seco, en húmedo y en mojado se pueden llevar a cabo de forma más rápida y segura. Se minimiza el consumo de productos de limpieza.