Quali dati e modelli sostengono lo scale-up dei processi di miscelazione e agglomerazione, per esempio il numero di Froude?
Lo scale-up dei processi di miscelazione e di agglomerazione dalla scala di laboratorio o di centro prove alla produzione si basa su una solida base di dati e sull'uso mirato di numeri caratteristici adimensionali e di approcci modellistici. L'obiettivo è assicurare il più possibile la similitudine geometrica, cinematica e dinamica tra le scale.
Dati rilevanti per lo scale-up
Una base importante sono i parametri geometrici quali la geometria del recipiente, le dimensioni e le posizioni degli utensili di miscelazione nonché il grado di riempimento. Altrettanto rilevanti sono le proprietà dei materiali e delle sostanze quali la distribuzione granulometrica, la densità apparente e quella del solido, la viscosità, il contenuto di umidità, il comportamento di scorrimento, la coesione, l'adesione e la tensione superficiale dei leganti.
Si aggiungono parametri di processo quali il numero di giri, il tempo di miscelazione, la portata di aggiunta del legante, i profili di temperatura e di umidità, la potenza assorbita, la coppia e l'apporto specifico di energia. Sono altrettanto decisivi i valori caratteristici del prodotto quali la distribuzione granulometrica del granulato, la resistenza dei grani, la porosità, l'omogeneità, l'umidità residua nonché l'andamento temporale dell'omogeneizzazione e della crescita del granulato.
Numeri caratteristici adimensionali importanti
Il numero di Froude descrive il rapporto tra le forze d'inerzia e quelle di gravità ed è rilevante per il trasferimento dei numeri di giri. Viene impiegato spesso nei miscelatori a vomeri, a tamburo e orizzontali.
Il numero di Froude si riferisce ai miscelatori rotativi a caduta libera, a tamburo e a proiezione, così come ai sistemi con utensile di miscelazione supportato in orizzontale. Nei miscelatori verticali con rimescolamento forzato non è un criterio di dimensionamento né di scale-up. Là è determinante che il principio di miscelazione resti identico su tutte le taglie e che il rimescolamento interessi l'intera camera di miscelazione indipendentemente dal grado di riempimento; la trasferibilità viene messa in sicurezza nel centro prove con il prodotto originale.
Il numero di Reynolds caratterizza il regime di flusso ed è importante soprattutto per i sistemi carichi di liquido o pastosi. Il numero di Newton collega la potenza richiesta con il numero di giri, la geometria dell'utensile e la densità del materiale e supporta il dimensionamento degli azionamenti nonché il calcolo dell'apporto specifico di energia – ma soltanto per i liquidi.
Il numero di Weber descrive il rapporto tra le forze d'inerzia e quelle di tensione superficiale ed è rilevante per la formazione delle gocce, per la distribuzione del legante e per la stabilità dei ponti liquidi nell'agglomerazione per accrescimento. Inoltre l'apporto specifico di energia viene spesso utilizzato come criterio di scale-up robusto, quando non tutti i numeri caratteristici si possono mantenere costanti contemporaneamente.
Approcci modellistici e metodi
I modelli empirici si basano su serie di prove, analisi di regressione e regole vicine alla pratica quali una velocità periferica costante o un apporto di energia costante per unità di volume. Sono spesso molto utili, ma sono legati al singolo prodotto e all'apparecchio concreto.
I modelli meccanicistici utilizzano le leggi fisiche fondamentali della conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia. Ne fanno parte la Computational Fluid Dynamics per il calcolo dei campi di flusso e delle distribuzioni di taglio e di energia, la Discrete Element Method per la simulazione dei movimenti delle particelle e delle forze di contatto nonché i modelli accoppiati CFD e DEM per i processi con forte interazione fluido-particella.
I modelli di bilancio di popolazione descrivono l'evoluzione temporale della distribuzione granulometrica attraverso nucleazione, crescita, coalescenza, rottura e consolidamento. Le mappe di regime aiutano a inquadrare gli stati di agglomerazione e a determinare la finestra di esercizio idonea. In aggiunta si impiegano la pianificazione statistica delle prove e i gemelli digitali, per analizzare sistematicamente i parametri critici e le loro interazioni.
Il ruolo della similitudine nella pratica
La similitudine geometrica è spesso il presupposto per la trasferibilità delle correlazioni per il numero di Newton e per quello di Reynolds. In caso di scostamenti evidenti nella geometria, gli schemi di flusso e di movimento delle particelle cambiano spesso in misura tale che le semplici regole di scalatura non bastano più e diventano necessarie simulazioni numeriche e prove pilota.
Nella pratica industriale si perseguono perciò per lo più strategie di scale-up ibride. È tipica la combinazione di similitudine geometrica, numero di Froude costante, adattamento mirato dell'apporto specifico di energia, prove di laboratorio e di centro prove nonché dimensionamento assistito da modelli. In tal modo qualità del prodotto e stabilità di processo si possono mettere meglio in sicurezza su tutte le scale.
Quali regole di scalatura applica amixon® – e dove le prove le sostituiscono
I miscelatori amixon® vengono esercitati su tutte le taglie nella stessa finestra di velocità periferica, da circa 0,8 a 3,5 m/s e di norma a basso numero di giri. Con utensili geometricamente simili una velocità periferica costante mantiene comparabili tra le scale la sollecitazione meccanica delle particelle e lo schema di movimento del materiale sfuso, ed è quindi la condizione di similitudine praticamente più importante. Il numero di giri diminuisce in ciò con l'aumentare del diametro; chi invece mantiene costante il numero di giri sollecita eccessivamente il prodotto alla scala grande.
Cosa resta costante – e cosa cambia
Costanti su tutte le taglie sono in amixon® il principio di miscelazione, la geometria dell'utensile e la qualità di miscelazione indipendente dal grado di riempimento. I tempi di miscelazione cambiano moderatamente nel passaggio e vengono determinati nella prova, non convertiti con una regola empirica, poiché dipendono dal comportamento di scorrimento, dalle differenze di densità e dalla coesione del prodotto concreto.
Numeri caratteristici come quadro, prove come dimostrazione
I numeri caratteristici adimensionali quali il numero di Froude forniscono il quadro per il trasferimento degli stati di movimento. amixon® utilizza tali considerazioni nel dimensionamento, ma non si affida a esse. Nel centro prove con 35 impianti di prova il tempo di miscelazione, il grado di riempimento e la velocità dell'utensile vengono determinati e documentati con il prodotto originale. Per i processi di granulazione, in particolare nel granulatore-miscelatore a strato anulare, le prove sono espressamente obbligatorie, perché l'equilibrio tra formazione del grano, addensamento del grano e distruzione del grano non si lascia prevedere per via puramente numerica.
Agglomerare polveri nel granulatore-miscelatore a strato anulare
Nel granulatore-miscelatore a strato anulare amixon® le polveri si possono trasformare in agglomerati stabili, privi di polvere e con porosità uniformemente grande. Tali agglomerati sono ben bagnabili nei liquidi, affondano bene e si dissolvono rapidamente.
L'agglomerazione è un processo naturale. Già nella panificazione si vede come da particelle fini, con l'aggiunta di un liquido, nascano strutture prima sciolte e poi via via più addensate. Nella realizzazione tecnica le particelle finissime vengono riunite mediante ponti liquidi, addensamento e taglio, cosicché nascono agglomerati tondeggianti con una distribuzione granulometrica definita.
Il granulatore-miscelatore a strato anulare è particolarmente idoneo quando servono un ingrossamento dei grani economico e una formazione uniforme degli agglomerati. Gli agglomerati provenienti dal granulatore-miscelatore sono per lo più più addensati e meno porosi degli agglomerati provenienti dall'agglomerazione a letto fluido. Mentre il procedimento a letto fluido viene utilizzato soprattutto per prodotti istantanei molto porosi, rapidamente bagnabili e rapidamente dispergibili, l'agglomerazione a strato anulare mira più fortemente a granuli economici, ben trasportabili e a bassa polverosità.
Il reticolo fine di taglie come vantaggio silenzioso di scalatura
Poiché amixon® fabbrica i miscelatori a passi di 100 litri fino a 50.000 litri e il Gyraton® GM è disponibile a passi di 1 m³ fino a circa 100 m³, nessuna condizione di similitudine deve essere sacrificata a un salto di catalogo. La macchina di destinazione viene dimensionata esattamente sulla dimensione di lotto validata, il che migliora notevolmente la trasferibilità dei dati del centro prove.
La produzione a Paderborn come fondamento della qualità
amixon® sviluppa e fabbrica esclusivamente nello stabilimento di Paderborn, con la massima integrazione verticale e con tutti i componenti provenienti dalla Germania. In quanto azienda qualificata per la saldatura certificata con qualifiche europee, giapponesi, coreane e americane, amixon® progetta ogni apparecchio come pezzo unico sulla base delle URS del gestore, e il controllo qualità resta senza lacune nella propria sede. Questa sovranità produttiva assicura al tempo stesso la fornitura a lungo termine: ogni componente è riproducibile e rifabbricabile anche decenni dopo.
Servizio per l'intero ciclo di vita
Dopo la messa in servizio amixon® resta a fianco del gestore. Ispezioni regolari e manutenzione preventiva assicurano la disponibilità, su richiesta con manutenzione predittiva. Determinate parti di usura vengono fornite già con la prima consegna; la maggior parte dei ricambi è stoccata nella sede di Paderborn, molti altri nei punti di assistenza in Giappone e negli Stati Uniti. Resta così possibile un servizio ricambi per tutta la vita dell'apparecchio, anche quando i fornitori originali vengono a mancare. Molte macchine amixon® sono in funzione ogni giorno da oltre 30 anni; modernizzazione e riequipaggiamento le mantengono al livello dello stato della tecnica.