Quali opzioni esistono per il riscaldamento e il raffreddamento durante il processo di miscelazione di sistemi di polveri reattive?
Nella miscelazione di sistemi di polveri reattive una gestione termica precisa è determinante per controllare cinetica di reazione, qualità del prodotto e sicurezza di processo. In funzione della reattività del sistema, della dimensione del lotto e del profilo di temperatura desiderato sono disponibili diverse opzioni tecniche di riscaldamento e raffreddamento.
Sistemi a doppia camicia (riscaldamento e raffreddamento indiretti)
Il metodo più diffuso è l'impiego di recipienti di miscelazione a doppia parete, nella cui camicia circola un fluido termovettore.
I fluidi tipici sono:
- acqua per campi di temperatura moderati
- olio diatermico per temperature di processo elevate
- salamoia ovvero miscele acqua-glicole per il raffreddamento sotto 0 °C
- vapore per un riscaldamento rapido, per esempio in fasi di essiccazione o di sterilizzazione
In questo modo si possono sia asportare in modo affidabile il calore di reazione esotermico sia preriscaldare in modo mirato i componenti in polvere, per esempio per governare la viscosità o per attivare reazioni allo stato solido.
Utensili di miscelazione termoregolati e superfici interne di trasmissione del calore
Poiché con volumi grandi la trasmissione del calore attraverso la parete del recipiente è limitata, gli alberi e gli utensili di miscelazione possono essere realizzati cavi e attraversati da un fluido di termoregolazione.
Inoltre sono possibili:
- tubi o piastre di scambio termico interni
- zone di fondo termoregolate per evitare la condensazione
Il vantaggio di questa soluzione sta nella trasmissione diretta del calore nel nucleo del prodotto. Questo migliora l'omogeneità termica, abbrevia i tempi di processo e permette di asportare ovvero di apportare grandi quantità di calore con un'elevata intensità di rimescolamento.
Riscaldamento elettrico diretto
Per temperature estremamente elevate si impiegano fasce o tappetini riscaldanti elettrici. I cosiddetti riscaldamenti di accompagnamento a bassa corrente vengono impiegati anche quando silo o tubazioni devono essere mantenuti caldi.
Questa soluzione è relativamente semplice, conveniente e si presta ad applicazioni con un fabbisogno di calore limitato.
Flussaggio di gas e termoregolazione mediante gas
Flussi di gas termoregolati vengono condotti attraverso la camera di miscelazione e trasmettono calore direttamente al letto in movimento. Gas inerti preriscaldati o raffreddati come l'azoto svolgono in questo caso due compiti contemporaneamente: impostano il livello di temperatura desiderato e mantengono basso il contenuto di ossigeno, il che è rilevante per la sicurezza con polveri reattive o esplosive. La trasmissione del calore è inferiore rispetto ai procedimenti legati alle superfici, ma agisce direttamente sulla superficie delle particelle e si lascia regolare rapidamente. Per questo la termoregolazione mediante gas viene spesso impiegata a complemento della termoregolazione a doppia camicia o degli utensili, per esempio per asportare i picchi di reazione o per allontanare contemporaneamente l'umidità.
Raffreddamento per evaporazione assistito dal vuoto
Se nel sistema sono presenti umidità o solventi, applicando il vuoto si può abbassare il punto di ebollizione della fase liquida.
Effetto
L'evaporazione della fase liquida sottrae calore al prodotto (entalpia di evaporazione). Ne risulta un raffreddamento efficiente e delicato, che si presta ai prodotti sensibili alla temperatura. Questa forma di raffreddamento per evaporazione può essere utilizzata al tempo stesso per l'essiccazione e per impostare il contenuto di umidità residua.
Raffreddamento criogenico
Per processi fortemente esotermici o per temperature di processo molto basse si impiega l'immissione diretta di fluidi criogenici come azoto liquido (LN₂) o CO₂ nella camera di miscelazione.
Caratteristiche:
- raffreddamento shock molto rapido grazie all'entalpia di evaporazione
- possibilità di mantenere il sistema al tempo stesso inerte e di aumentare così la sicurezza contro le esplosioni con polveri reattive
Questo metodo si presta in particolare ai processi di macinazione-miscelazione e ai sistemi con elevata capacità di liberare calore.
Riscaldamento per irraggiamento
Più raramente il calore viene apportato tramite radiatori a infrarossi orientati sulla superficie del letto in movimento. L'energia agisce senza contatto e senza fluido termovettore, raggiunge però solo lo strato di particelle più esterno; un rimescolamento sufficiente è perciò il presupposto. Il procedimento viene impiegato soprattutto con strati sottili, con reazioni superficiali sensibili e là dove si vuole evitare un circuito del fluido termovettore.
Criteri di selezione importanti per il dimensionamento del processo
La scelta dell'opzione di riscaldamento e di raffreddamento adeguata – spesso anche di una combinazione di più metodi – dipende in particolare da:
- entalpia di reazione ed energia di attivazione del sistema
- velocità di riscaldamento ovvero di raffreddamento richiesta
- capacità termica specifica e conduttività termica del solido sfuso
- sensibilità alla temperatura delle materie prime e finestra di temperatura desiderata
- requisiti di sicurezza (per esempio ATEX, prevenzione della fuga termica)
- dimensione del lotto, geometria e superfici di trasmissione del calore disponibili
- aspetti economici e di efficienza energetica
Così amixon® termoregola durante la miscelazione: riscaldare e raffreddare come funzioni di processo integrate
amixon® combina procedimenti meccanici e termici in numerosi impianti di prova, dalla scala di laboratorio all'impianto pilota. Si possono così esaminare in modo realistico processi di miscelazione, di essiccazione e di reazione con profili di temperatura e di pressione realistici.
Miscelatori ed essiccatori-miscelatori termoregolabili
I miscelatori amixon® possono essere realizzati con doppia camicia per la termoregolazione. Esempi:
- miscelatore a un albero EM con doppia camicia per termoregolare ed essiccare sottovuoto
- miscelatore verticale a un albero VM con superfici a camicia riscaldabili e raffreddabili
- reattori essiccatori-miscelatori VMT e AMT, nei quali sono termoregolabili in aggiunta l'intero organo miscelante (albero, bracci, elica) nonché i passi d'uomo, gli organi di scarico e il filtro dei vapori
Come fluidi termovettori si impiegano acqua, vapore o olio diatermico. Riscaldamento e raffreddamento avvengono attraverso lo stesso sistema di termoregolazione, il che semplifica progettazione ed esercizio.
Perché la superficie di scambio termico è determinante
Nei letti di polvere il trasporto di calore è spesso il fattore limitante. amixon® affronta questo collo di bottiglia in due modi:
- grandi superfici specifiche di scambio termico grazie alla doppia camicia e all'organo miscelante interamente termoregolabile
- flusso totale intenso grazie all'elica dell'organo miscelante SinConcave®/SinConvex®, che porta continuamente prodotto fresco alle superfici termoregolate
Così la trasmissione del calore e lo scambio di materia si svolgono rapidamente ed efficientemente anche in apparecchi grandi. Un esempio sono i reattori conici con volumi utili fino al campo delle due cifre in metri cubi, le cui superfici a contatto con il prodotto sono interamente termoregolabili.
Applicazioni tipiche della termoregolazione
- Mantenere i grassi al di sopra del punto di fusione (incorporazione di grassi senza grumi, fusioni di grasso definite)
- Raffreddare i sistemi reattivi e limitare i picchi di temperatura
- Condurre processi di cristallizzazione e di condizionamento con profili di temperatura definiti
- Accelerare l'essiccazione sottovuoto a basse temperature di prodotto
I profili di temperatura e di tempo vengono memorizzati come programmi di miscelazione nel PLC e sono così riproducibili lotto per lotto. Gli andamenti della coppia e della temperatura supportano il riconoscimento del punto finale e facilitano la conduzione del processo.
Dimensionamento dei grandi essiccatori-miscelatori sottovuoto
Per i grandi essiccatori-miscelatori sottovuoto una semplice stima della trasmissione del calore non è sufficiente. amixon® combina prove nel centro prove con calcoli termodinamici per elaborare concetti di scale-up sicuri, anche quando l'impianto di destinazione è da 50 a 80 volte più grande dell'impianto di prova. L'articolo del blog «amixon® hilft bei der Dimensionierung großer Vakuum-Mischtrockneranlagen» descrive come dai dati di prova si ricavino capacità di evaporazione, superfici di scambio termico necessarie, potenza di riscaldamento e di raffreddamento nonché il dimensionamento di condensatore e filtro dei vapori.
Riequipaggiamento e messa in sicurezza dal punto di vista dell'ingegneria di processo
Ogni apparecchio amixon® è un pezzo unico sulla base delle URS del gestore. L'estensione della termoregolazione e le potenze installate vengono dimensionate in funzione del progetto. Gli impianti esistenti possono essere adeguati o ampliati dal punto di vista termico nell'ambito di modernizzazione e riequipaggiamento. Il comportamento termico del prodotto viene verificato in anticipo nel centro prove, nel campo di temperatura e di pressione previsto.
Qualificabile e documentato
Per gli ambienti regolamentati amixon® fornisce impianti qualificabili con un controllo qualità senza lacune. amixon® supporta i gestori in DQ, IQ e OQ; documentazione ed esecuzione seguono, su richiesta, EU-GMP e FDA 21 CFR Part 11. Su richiesta gli apparecchi soddisfano ulteriori standard come EHEDG, direttive igieniche FDA, 3-A Sanitary Standards, USDA, GMP, ATEX e ASME e vengono integrati nel concetto di validazione del gestore, dalle URS fino alla messa in servizio.
La produzione a Paderborn come fondamento della qualità
amixon® sviluppa e fabbrica esclusivamente nello stabilimento di Paderborn, con un'elevata integrazione verticale e con componenti in prevalenza 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. Il controllo qualità resta interamente nella propria sede, le specifiche sono documentate fino al livello del singolo componente. Questa sovranità produttiva assicura la fornitura a lungo termine: ogni componente si lascia rifabbricare in modo riproducibile anche dopo decenni.