L'impostazione affidabile di dimensione e struttura dei granuli in un granulatore a strato anulare si basa sull'interazione coordinata di sollecitazione meccanica, apporto di liquido e capacità di essiccazione, proprietà del legante, tempo di permanenza e grado di riempimento, integrata da un robusto monitoraggio di processo in linea.

Principio di funzionamento del granulatore a strato anulare

Nel granulatore a strato anulare il prodotto viene premuto dalla forza centrifuga contro la parete del recipiente in uno strato anulare concentrico. In questo strato bagnatura, agglomerazione, coating/layering, compattazione ed essiccazione avvengono contemporaneamente ovvero per zone. Le proprietà del granulato che ne risultano vengono impostate in modo riproducibile tramite grandezze di regolazione definite.

Grandezze di regolazione essenziali per governare dimensione e struttura dei granuli

Velocità periferica / numero di giri del rotore

Il numero di giri del rotore determina le forze centrifughe e di taglio che agiscono e quindi l'immissione di energia meccanica nello strato anulare.

Modo di agire:

• Velocità periferiche più elevate (tipicamente circa 15–35 m/s) generano forti forze di taglio e di urto.
• Conseguenza: granuli più compatti, più densi e più sferici, con maggiore resistenza alla rottura e minore porosità.
• Numeri di giri più bassi portano a una minore compattazione.
• Conseguenza: strutture più sciolte e più porose, con superficie più ruvida e tendenza a polverare tendenzialmente maggiore.

Apporto di liquido e parametri di spruzzatura

La crescita del granulato viene governata in misura determinante dal rapporto tra apporto di liquido e solido (rapporto L/S) e dalla caratteristica di spruzzatura.

Rapporto liquido/solido (rapporto L/S):

• Un aumento della quantità di liquido rafforza le forze capillari e di adesione tra le particelle primarie.
• Conseguenza: crescita più rapida delle particelle e granuli finali più grandi.
• Un apporto di liquido troppo elevato può portare a sovraumidificazione, incollamento e spettro granulometrico ampio; un apporto troppo basso limita la crescita e aumenta la quota di frazioni fini.

Portata di spruzzatura:

• Determina la velocità di crescita e quindi lo spostamento della distribuzione granulometrica.
• Una portata di spruzzatura costante e regolabile favorisce una distribuzione granulometrica ristretta.

Dimensione delle gocce:

• Una nebulizzazione fine favorisce i processi di coating e di layering (formazione di strati sottili).
• Gocce più grossolane favoriscono l'agglomerazione mediante la formazione di ponti liquidi stabili.

Posizione dell'ugello e angolo di spruzzatura:

• Definiscono la zona di bagnatura nello strato anulare.
• Una separazione mirata tra bagnatura intensa e successiva granulazione per accrescimento ed essiccazione aumenta la stabilità di processo, perché si evitano sovraumidificazioni locali.

Sicurezza di processo:

• Impiego di pompe dosatrici precise e di valvole di spruzzatura regolate.
• Monitoraggio continuo della portata in massa e della temperatura del gas di processo per assicurare un rapporto liquido/solido stabile.

Temperatura del gas di processo e capacità di essiccazione

Il bilancio tra legante liquido immesso e capacità di essiccazione influenza sia la dimensione sia la struttura dei granuli.

Modo di agire:

• Un'elevata capacità di essiccazione sottrae umidità allo strato anulare prima che possano formarsi grandi agglomerati.
• Conseguenza: grani più piccoli e più resistenti, con distribuzione granulometrica più ristretta e quota di fini più elevata.
• Una bassa capacità di essiccazione mantiene efficaci più a lungo i ponti liquidi.
• Conseguenza: crescita del grano più marcata, granuli più grandi e più porosi, ma con tendenza all'incollamento e a incrostazioni alla parete in caso di superamento.

Sicurezza di processo:

• Regolazione della temperatura del gas di processo e della portata volumetrica del gas, accoppiata alla portata di spruzzatura.
• Monitoraggio dell'umidità dell'aria di scarico e della temperatura del prodotto come indicatori dell'effettivo bilancio di umidità.

Proprietà e quantità del legante

Tipo, concentrazione e viscosità del legante determinano la resistenza dei ponti liquidi e quindi la stabilità degli agglomerati che si formano.

Modo di agire:

• Sistemi più concentrati o con maggiore potere legante generano granuli più resistenti e più stabili alla rottura.
• I leganti a bassa viscosità si distribuiscono più rapidamente e più uniformemente, ma contribuiscono meno alla resistenza del grano.
• I leganti ad alta viscosità hanno un effetto incollante più forte, richiedono però una nebulizzazione più fine e una maggiore energia meccanica per la distribuzione.
• Conseguenza: la quantità di legante sposta complessivamente la distribuzione granulometrica; il tipo di legante determina soprattutto resistenza, porosità e comportamento alla dissoluzione.

Sicurezza di processo:

• Temperatura del legante costante, poiché la viscosità dipende dalla temperatura.
• Verificare la costanza tra i lotti del legante, perché le oscillazioni si riflettono direttamente sulla resistenza del grano.

Tempo di permanenza e grado di riempimento

Tempo di permanenza e grado di riempimento determinano quanto a lungo e quanto spesso una particella attraversa le zone di bagnatura, di compattazione e di essiccazione.

Modo di agire:

• Tempi di permanenza più lunghi aumentano il numero dei contatti e favoriscono la crescita del grano nonché l'arrotondamento.
• Tempi di permanenza più brevi limitano la crescita e mantengono una distribuzione granulometrica più ristretta.
• Il grado di riempimento influenza lo spessore dello strato anulare: uno strato troppo sottile porta a una bagnatura non uniforme, uno strato troppo spesso attenua l'effetto di taglio e genera gradienti.
• Conseguenza: tempo di permanenza e grado di riempimento agiscono insieme; non sono impostabili l'uno indipendentemente dall'altro.

Sicurezza di processo:

• Portata in massa costante mediante dosaggio gravimetrico, poiché portata e tempo di permanenza sono direttamente accoppiati.
• Troppopieno definito oppure organi di scarico regolati per stabilizzare il grado di riempimento.

Monitoraggio di processo in linea

Poiché nel granulatore a strato anulare bagnatura, agglomerazione ed essiccazione avvengono contemporaneamente, lo stato del processo non si lascia ricavare da una singola grandezza. Una conduzione solida si basa su più segnali rilevati in parallelo.

• Potenza di azionamento e coppia come misura dell'umidità e della coesione dello strato anulare; un aumento indica una sovraumidificazione iniziale.
• Temperatura del prodotto e dell'aria di scarico nonché umidità dell'aria di scarico per la valutazione continua del bilancio di umidità.
• Portate in massa di solido e di legante per assicurare un rapporto liquido/solido costante.
• Procedimenti ottici o acustici per la determinazione in linea della distribuzione granulometrica, integrati da analisi granulometriche al setaccio periodiche come riferimento.
• Limiti di intervento definiti e una procedura documentata in caso di superamento dei valori limite, affinché le correzioni avvengano in modo riproducibile.

Solo l'interazione di queste grandezze di regolazione rende riproducibili dimensione e struttura dei granuli. I loro valori obiettivo concreti non si lasciano stabilire in generale, ma vengono determinati per ogni sistema di sostanze in prove e successivamente fissati come finestra di processo con tolleranze definite.