Il dimensionamento di un miscelatore verticale per ampi intervalli di lotto (tipicamente un rapporto da 1:5 a 1:10 tra riempimento minimo e massimo) richiede una valutazione combinata dei fattori geometria, potenza di azionamento, meccanica dei solidi sfusi e grandezze caratteristiche di processo. Un ingrandimento puramente geometrico dalla scala pilota a quella di produzione non è a tal fine sufficiente, poiché cinetica di miscelazione e apporto di potenza non si scalano in modo lineare.

Per prima cosa vengono definiti lo spettro dei lotti e il volume utile e viene stabilito il campo del grado di riempimento. Nella pratica i miscelatori verticali con recipiente conico e utensile di miscelazione a coclea o a elica possono coprire gradi di riempimento da circa il 20 % al 100 % del volume utile.

Il design deve essere dimensionato in modo che l'effetto di miscelazione sia garantito con sicurezza al riempimento minimo. I criteri di scale-up devono essere ricavati dalla scala pilota. Dalle prove pilota vengono trasferite le grandezze di processo, per rendere riproducibile il comportamento di miscelazione alla scala di produzione.

• Similitudine geometrica: il rapporto tra altezza e diametro del recipiente (H/D) nonché l'angolo di passo e il diametro dell'elica dovrebbero rimanere il più possibile costanti, per conservare condizioni di flusso e di trasporto confrontabili.
• Velocità periferica (v_tip): è determinante per l'apporto di energia di taglio e con esso per la rottura delle particelle e la disgregazione degli agglomerati. Con prodotti sensibili al taglio viene mantenuta il più possibile simile attraverso le scale.
• Apporto specifico di potenza (P/V): la potenza per unità di volume è una grandezza caratteristica per i processi di miscelazione a dominanza dispersiva.
• Intensità specifica di miscelazione (P/m): la potenza per unità di massa è una grandezza caratteristica dell'intensità di miscelazione. Con volumi grandi si persegue spesso un apporto specifico di potenza leggermente ridotto a favore dell'efficienza energetica.
• Numero caratteristico del tempo di miscelazione (n·t_M): è il prodotto del numero di giri e del tempo di miscelazione. Con geometria simile, mantenere costante questo numero può essere un riferimento robusto.

Dimensionamento geometrico per ampi intervalli di lotto

• La geometria del recipiente presenta un rapporto H/D che si colloca tipicamente nel campo da 1,2 a 1,8, per ottenere un buon rimescolamento assiale.
• È usuale una parte inferiore conica con un angolo del cono di circa 15–33°.
• Nella progettazione dell'utensile va considerato che la coclea ovvero l'elica raggiunga il punto più basso dello scarico, per evitare zone morte con grado di riempimento ridotto.
• La luce tra elica e parete dovrebbe essere di pochi millimetri, per minimizzare le adesioni alla parete e le zone morte, senza generare rischi di schiacciamento per le particelle.
• Il rapporto di passo dell'elica ammonta a circa il 20 fino al 30 % del diametro dell'elica, per ottenere un rapporto equilibrato tra trasporto assiale e rimescolamento radiale.
• Flessibilizzazione per intervalli ampi: con rapporti di lotto estremi, organi miscelanti a più stadi, altezze regolabili degli utensili o inserti modulari possono aiutare ad adattare le zone di miscelazione a diverse altezze di riempimento.

Dimensionamento dell'azionamento e meccanica dei solidi sfusi

• La pressione idrostatica sul fondo cresce con l'altezza di riempimento, così che la coppia di spunto a riempimento completo si colloca notevolmente al di sopra della coppia di esercizio stazionaria.
• Per garantire un avviamento sicuro a pieno carico è da preferire un azionamento comandato da convertitore di frequenza con coppia di avviamento elevata (tipicamente da 2,0 a 2,5 volte la coppia nominale).

Tempo di miscelazione e qualità di miscelazione su tutto il campo di riempimento

Comportamento del tempo di miscelazione:

• Alla scala maggiore i percorsi delle particelle si allungano statisticamente, il che tende a portare a tempi di miscelazione più lunghi.
• Per limitare il tempo di miscelazione vanno calcolate la portata di trasporto assiale e radiale del miscelatore e ottimizzate tramite geometria e numero di giri.

Validazione dell'omogeneità: la qualità di miscelazione viene valutata secondo la prassi tramite il coefficiente di variazione (CV).

• Con ampi intervalli di lotto è sensata una matrice di campionamento che preveda prelievi al riempimento minimo e massimo nonché in posizioni definite (in alto, al centro, in basso).
• I sistemi di campionamento alla scala di produzione devono essere concepiti in modo da fornire campioni rappresentativi durante il prelievo, senza segregazione.

Comportamento allo svuotamento e quantità residue

• Grandi volumi di riempimento aumentano la pressione di ristagno nella polvere, in particolare con solidi sfusi a grana fine o coesivi. Per questo il diametro dello scarico e la geometria degli ausili di estrazione (per esempio portelli di fondo, serrande a segmento) vanno dimensionati con attenzione critica.
• Con lotti molto piccoli le quantità residue percentuali sono notevolmente più elevate. Il comportamento allo svuotamento al riempimento minimo va pertanto verificato in modo mirato e, all'occorrenza, ottimizzato con una geometria di scarico adattata o con meccanismi di trasporto supplementare.

Scala intermedia e messa in sicurezza pratica

Un salto diretto, per esempio da 100 l di volume pilota a 5.000 l di volume di produzione, è legato a rischi elevati. Una scala intermedia (fattore 5–10) consente:

• il riconoscimento di effetti non lineari quali demiscelazione, segregazione delle particelle fini o problemi inattesi di smaltimento del calore,
• la verifica del dimensionamento dell'azionamento in condizioni di coppia reali al riempimento minimo e massimo,
• la messa in sicurezza del comportamento allo svuotamento e delle quantità residue su tutto l'intervallo di lotto,
• la definizione della matrice di campionamento e dei criteri di rilascio prima dell'investimento nella scala di produzione.