Uno scale-up affidabile dei processi di miscelazione per prodotti polverulenti richiede una pianificazione sistematica delle prove, che tenga conto della similitudine geometrica, cinematica e dinamica tra la scala di laboratorio, quella pilota e quella di produzione. L'obiettivo è il trasferimento riproducibile di tempo di miscelazione, grado di riempimento e numero di giri dell'utensile, cosicché qualità di miscelazione, omogeneità e delicatezza sul prodotto si conservino.

Principi fondamentali e criteri di scale-up

All'inizio vengono stabiliti i parametri di processo critici e l'obiettivo di miscelazione dominante, per esempio l'omogeneizzazione, la sicurezza contro la segregazione, la delicatezza sul prodotto o lo svuotamento residuo. Su questa base si decide quale numero caratteristico mantenere preferibilmente costante nello scale-up, per esempio la velocità periferica, il numero di Froude oppure, nei casi idonei, un approccio riferito all'energia.

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.

Poiché non tutti i numeri caratteristici possono essere costanti contemporaneamente, il criterio di similitudine deve essere prioritizzato in base al meccanismo di miscelazione dominante. Un piano di prove robusto comprende anche prove vicino ai limiti di processo, per valutare la stabilità del procedimento nella grande scala.

Similitudine geometrica e grado di riempimento

Il grado di riempimento è di grande importanza nei miscelatori per polveri con albero dell'organo miscelante supportato in orizzontale.

Per un trasferimento affidabile è determinante la similitudine geometrica tra le scale. Rapporti quali H su D, d su D nonché distanze dalla parete e geometrie degli utensili comparabili dovrebbero restare il più possibile costanti.

Il grado di riempimento influenza notevolmente il quadro di flusso, le zone morte e l'assorbimento di potenza. Il sovrariempimento favorisce le zone morte e può allungare il tempo di miscelazione, il sottoriempimento può invece portare a un comportamento di circolazione sfavorevole e a un'azione di miscelazione ridotta. È pertanto raccomandabile l'esame di più gradi di riempimento nella piccola scala e il successivo trasferimento del campo ottimale.

Determinazione e scalatura del tempo di miscelazione

Il tempo di miscelazione non è una costante fissa, ma una funzione di numero di giri, geometria e proprietà dei materiali. Nella piccola scala la cinetica di miscelazione viene rilevata tramite curve della qualità di miscelazione e viene definito un livello di omogeneità obiettivo, per esempio tramite il coefficiente di variazione o una grandezza caratteristica comparabile.

Per il trasferimento alla scala maggiore il tempo di miscelazione viene messo in sicurezza sperimentalmente e non scalato soltanto per via di calcolo. In particolare con i prodotti polverulenti il comportamento del materiale sfuso, la coesione, le differenze di densità e la distribuzione granulometrica dipendono così fortemente dal prodotto che i valori sperimentali sono nettamente più affidabili delle semplici formule empiriche.

Ricavo del numero di giri dell'utensile

Il numero di giri dell'utensile nella scala obiettivo risulta dalla regola di scale-up scelta. A velocità periferica costante vale, per analogia, che il numero di giri diminuisce con l'aumentare del diametro. Questo procedimento è spesso particolarmente sensato per i prodotti polverulenti, perché mantiene comparabile lo schema di movimento del materiale sfuso ed evita la sollecitazione eccessiva.

Il numero di giri calcolato va sempre verificato rispetto ai limiti meccanici, alle sensibilità specifiche del prodotto e alla stabilità pratica del processo. Una scelta del numero di giri basata su soli valori di calcolo di norma non è sufficiente con le polveri.

Pianificazione delle prove, grandezze di misura e validazione

Per uno scale-up affidabile si offre un piano di prove strutturato con i fattori numero di giri, grado di riempimento e tempo di miscelazione. Grandezze di misura importanti sono l'assorbimento di potenza, la coppia, la qualità di miscelazione, lo svuotamento residuo e grandezze caratteristiche riferite al prodotto quali la distribuzione dell'umidità, l'omogeneità o l'accrescimento delle particelle.

Dopo il trasferimento alla scala di produzione seguono prove di validazione, per rilevare le oscillazioni reali delle materie prime, i campi limite del grado di riempimento e il comportamento di movimento effettivo nella grande scala. Gli scostamenti vengono documentati e utilizzati per affinare il modello di scalatura.