In che misura si possono risparmiare tempi di processo ed energia con i moderni essiccatori-miscelatori conici?
I moderni essiccatori-miscelatori conici possono risparmiare tempo di processo ed energia soprattutto quando conducono il prodotto in modo continuo verso grandi superfici di contatto temperate, essiccano sotto vuoto a bassa temperatura e riuniscono più fasi di processo in un unico apparecchio chiuso. Non è tuttavia possibile indicare valori percentuali solidi in modo generico: essi dipendono fortemente da prodotto, solvente, umidità residua di partenza e obiettivo, livello di vuoto, condensazione, grado di riempimento, superficie di scambio termico e processo di confronto.
Tempi di processo più brevi
Il guadagno di tempo più importante nasce dal migliore trasferimento di calore e materia. In un moderno essiccatore-miscelatore conico il prodotto non viene riscaldato staticamente, ma ricircolato in continuo. In questo modo il materiale umido viene portato ripetutamente a contatto con la parete temperata del recipiente e, se presenti, con albero, bracci o elica temperabili. La superficie di contatto viene rinnovata di continuo. Depositi di prodotto isolanti, sacche umide e differenze di temperatura locali possono così essere ridotti.
Ne consegue un'evaporazione più uniforme. Il vuoto abbassa il punto di ebollizione di acqua o solventi, cosicché l'evaporazione può iniziare a una temperatura di prodotto più bassa. Con prodotti sensibili non è quindi necessario lavorare con una temperatura del mantello inutilmente elevata. Gli essiccatori conici a contatto sotto vuoto vengono impiegati proprio per la combinazione di trasmissione indiretta del calore, ricircolo del prodotto ed esercizio a bassa temperatura per prodotti sensibili al calore e al solvente.
Un ulteriore guadagno di tempo nasce dal governo delle transizioni reologiche. Molti prodotti si trasformano durante l'essiccazione da una sospensione, attraverso una fase viscosa o viscoplastica, fino a una polvere secca. Proprio nella fase intermedia appiccicosa l'evaporazione può rallentare fortemente negli essiccatori statici, perché si formano grandi grumi o zone di prodotto scarsamente riscaldate. Un organo di miscelazione mantiene la massa in movimento e rinnova le superfici di contatto. Se necessario, uno stadio di disagglomerazione può disgregare in modo mirato i grumi. Ciò migliora l'accesso di calore e vuoto alla superficie di prodotto umida e impedisce che il processo sia determinato da singoli agglomerati compatti.
Il ciclo complessivo si accorcia ulteriormente se miscelazione, reazione, cristallizzazione, evaporazione, essiccazione, raffreddamento ed eventualmente omogeneizzazione avvengono nello stesso apparecchio. Ogni trasferimento eliminato non fa risparmiare solo il tempo per svuotamento e carico, ma anche tempo di attesa, pulizia, nuova inertizzazione, stoccaggio intermedio ed eventuale rilavorazione. Con prodotti soggetti a rigorosi requisiti di containment o umidità questo effetto può essere più importante della pura riduzione del tempo di evaporazione.
Anche un punto finale di essiccazione affidabile può far risparmiare tempo. Se temperatura, pressione, flusso di condensato, umidità del prodotto o un segnale PAT idoneo vengono monitorati in continuo, il lotto può essere concluso al raggiungimento dell'umidità residua obiettivo. Senza un concetto solido per il punto finale si tende spesso, per motivi di sicurezza, a essiccare oltre il necessario. Ciò aumenta sia il tempo di ciclo sia il consumo energetico. Gli studi industriali sull'essiccazione sottovuoto sottolineano che una determinazione idonea del punto finale e il monitoraggio di processo sono leve essenziali per ridurre consumo energetico e durata del ciclo.
Minor fabbisogno energetico
Nell'essiccazione sottovuoto l'energia è richiesta essenzialmente per l'evaporazione del solvente, la perdita di calore del sistema, l'azionamento dell'organo di miscelazione, la generazione del vuoto, la condensazione ed eventualmente il raffreddamento. Un essiccatore-miscelatore conico non risparmia l'entalpia di evaporazione fisicamente necessaria. I risparmi nascono piuttosto dal fatto che si verificano meno perdite, l'apporto di calore avviene in modo più efficiente e si evita un tempo di processo inutile.
La chiave impiantistica è l'essiccazione a contatto indiretto. Il calore viene trasferito al prodotto attraverso la parete temperata del recipiente ed eventualmente tramite utensili di miscelazione interni riscaldati. Poiché il prodotto in miscelazione tocca continuamente queste superfici, il calore necessario può essere trasferito con una differenza di temperatura moderata. Ampie superfici di trasmissione del calore, attivamente bagnate, migliorano la resa di essiccazione e possono ridurre la temperatura del mantello richiesta. Ciò abbassa le perdite di calore e protegge al contempo i prodotti sensibili alla temperatura. Per gli essiccatori sottovuoto conici vengono indicati coefficienti di trasmissione del calore che, a seconda del prodotto e dello stato di esercizio, si collocano in un intervallo molto ampio, da circa 50 a 2.000 W/(m²·K); tale ampia escursione mostra quanto siano determinanti il movimento del prodotto e la reologia per il fabbisogno energetico effettivo.
Il vuoto consente un'essiccazione a temperatura più bassa. Ciò permette di lavorare in modo più delicato principi attivi sensibili, prodotti chimici fini e polveri speciali. Nei casi favorevoli si può inoltre sfruttare calore a bassa temperatura, per esempio acqua calda, calore di processo recuperato o un circuito di olio diatermico a bassa temperatura. Gli essiccatori sottovuoto sono quindi particolarmente interessanti quando la qualità del prodotto risentirebbe di temperature elevate o quando è già disponibile una fonte di calore a bassa temperatura idonea.
L'energia di azionamento dell'organo di miscelazione resta, in molte applicazioni dei sistemi conici, relativamente contenuta, perché il movimento del prodotto avviene prevalentemente tramite un ricircolo controllato a bassa velocità di giro. Non è tuttavia trascurabile, in particolare nelle fasi intermedie viscoplastiche. Convertitori di frequenza variabili e una velocità di giro adattata allo stato di processo possono aiutare ad aumentare l'intensità di miscelazione solo quando è effettivamente necessaria per la trasmissione del calore o la disagglomerazione. Per un impianto concreto dovrebbero quindi essere bilanciati non solo i kWh per lotto, ma anche i kWh per chilogrammo di solvente evaporato, il tempo di funzionamento dell'organo di miscelazione, il fabbisogno energetico specifico del vuoto e la capacità del condensatore.
Il recupero del solvente non migliora necessariamente l'efficienza termodinamica dell'essiccazione, ma può ridurre sensibilmente l'impronta energetica e di costo complessiva. Nei sistemi sottovuoto chiusi i vapori vengono convogliati attraverso condensatori. I solventi recuperati devono essere riacquistati, trasportati e smaltiti in misura minore o nulla. Allo stesso tempo diminuiscono le emissioni di VOC. Gli essiccatori sottovuoto conici chiusi e a riscaldamento indiretto vengono perciò impiegati per prodotti pericolosi, tossici o contenenti solventi e possono consentire un recupero del solvente esteso.
Ulteriori leve di risparmio
I risparmi economicamente rilevanti vanno oltre il contatore dell'energia. Un cono svuotabile in modo pressoché completo riduce le perdite di prodotto e accorcia il tempo fino al lotto successivo. Con principi attivi o prodotti chimici fini di elevato valore, una minore quantità residua sul fondo dell'apparecchio può incidere economicamente più di un risparmio moderato di energia di riscaldamento.
Una buona pulibilità riduce il tempo di allestimento, i mezzi di pulizia, il tempo di essiccazione dopo il CIP e il rischio di non poter rilasciare un lotto per contaminazione crociata o residui. Negli impianti multiprodotto i maggiori guadagni di OEE possono quindi derivare da tempi di cambio più brevi e minore rilavorazione, non solo da una fase di evaporazione più corta.
La conduzione di processo integrata riduce inoltre il numero di pompe, dispositivi di trasporto, recipienti intermedi, attacchi filtro e operazioni di travaso. Ciò diminuisce i consumi elettrici accessori e l'onere di personale. Allo stesso tempo può diminuire il rischio di perdite di polvere, assorbimento di umidità, ossidazione e contaminazione. Questi fattori sono particolarmente rilevanti con prodotti di elevato valore o igroscopici.
Valutare correttamente i risparmi
Affermazioni generiche come «essiccazione più breve del 30-60 %» o «20-40 % di energia in meno» non sono solide senza un processo di riferimento. I valori di confronto possono discostarsi notevolmente, perché per esempio un armadio di essiccazione sottovuoto, un recipiente statico, un essiccatore a pale o un essiccatore-miscelatore conico esistente si differenziano in modo rilevante per superficie di scambio termico, grado di riempimento, vuoto, condensazione, mezzo di riscaldamento e tempi accessori del ciclo. In uno studio di laboratorio pubblicato, un essiccatore a vite conico ha raggiunto, nelle condizioni esaminate, la velocità di essiccazione più alta, ma sono state osservate anche attrition e agglomerazione — un'indicazione che guadagno di tempo e delicatezza sul prodotto devono sempre essere valutati insieme.
Una valutazione solida confronta quindi l'intero ciclo di lotto e non solo il tempo puro fino all'umidità residua obiettivo. Vanno rilevati:
Carico, riscaldamento, evacuazione, evaporazione, post-raffreddamento e raffreddamento, aerazione, scarico e pulizia.
Chilogrammi di acqua o solvente evaporati per lotto.
kWh per mezzo di riscaldamento o raffreddamento, azionamento del miscelatore, pompa del vuoto, condensazione e apparecchiature ausiliarie.
Perdite di calore su recipiente, tubazioni e sistema di condensazione.
Umidità residua obiettivo, solvente residuo, omogeneità, distribuzione granulometrica e resa di prodotto.
Tasso di recupero del solvente e costi per solvente fresco nonché smaltimento.
Durata della pulizia, perdite di allestimento, svuotamento residuo e numero di lotti non rilasciabili.
Da questi dati si possono formare indicatori quali kWh/kg di solvente evaporato, kg di prodotto per ora, tempo di ciclo complessivo, resa e costo per chilogrammo di prodotto rilasciato. Solo allora si può valutare seriamente se un moderno essiccatore-miscelatore conico rappresenti la soluzione economicamente migliore.
Così amixon® valuta efficienza energetica, TCO (Total Cost of Ownership, costi totali di gestione) e ammortamento di un miscelatore industriale
L'economicità di un miscelatore o di un essiccatore-miscelatore sottovuoto non si decide soltanto in base alla sua potenza elettrica assorbita. Determinanti sono il fabbisogno energetico, il tempo di miscelazione ed essiccazione, la trasmissione del calore, la perdita di prodotto, lo svuotamento residuo, i tempi di pulizia e cambio, la manutenzione, nonché la durata di utilizzo effettivamente raggiungibile. amixon® valuta questi fattori come Total Cost of Ownership lungo l'intero ciclo di vita e determina i valori caratteristici decisivi tramite prove con il prodotto originale.
I blocchi di costo rilevanti
Su un periodo di osservazione di, per esempio, dieci anni, cinque blocchi di costo determinano l'economicità: energia, perdita di prodotto, tempi di pulizia e cambio, manutenzione e ricambi, nonché l'ammortamento sulla durata di utilizzo reale. Questi fattori sono strettamente correlati tra loro. Un impianto con bassa potenza installata non è automaticamente economico se richiede lunghi tempi di miscelazione o essiccazione, se dopo ogni lotto rimangono quantità rilevanti di prodotto nella camera di miscelazione, o se i cambi di prodotto sono complessi.
Il fabbisogno energetico specifico non può essere indicato seriamente come valore generico di catalogo in chilowattora per tonnellata. Dipende da ricetta, dimensione del lotto, grado di riempimento, contenuto di umidità e solvente, livello di vuoto, temperatura, superficie di scambio termico, perdite di calore, tempo di miscelazione, velocità di giro, reologia, fabbisogno di disagglomerazione e umidità residua obiettivo. In un essiccatore-miscelatore si aggiungono mezzo di riscaldamento e raffreddamento, generazione del vuoto, condensazione, filtrazione dei vapori ed eventualmente inertizzazione. Per questo amixon® determina i dati rilevanti nel centro prove con il prodotto originale e in condizioni di processo realistiche.
Energia e trasmissione del calore
I miscelatori amixon® lavorano con un ricircolo tridimensionale controllato del prodotto e velocità periferiche degli utensili relativamente basse, a partire da circa 0,8 m/s. L'apporto di energia non avviene principalmente tramite alte velocità di giro, movimenti di proiezione o forte sollecitazione da urto, bensì tramite ricircoli ricorrenti del prodotto. Ciò limita l'apporto energetico meccanico e favorisce una lavorazione delicata sul prodotto.
Tempi di miscelazione brevi e riproducibili riducono l'energia per lotto e aumentano il throughput per potenza installata. Nel miscelatore a doppio albero HM i flussi di prodotto si sovrappongono e favoriscono una distribuzione rapida in tutto il volume del lotto. Nel miscelatore conico KS l'omogeneità richiesta può essere raggiunta, a seconda di ricetta, grado di riempimento e qualità di miscelazione obiettivo, già dopo poche rotazioni dell'utensile. Determinante non è il tempo di miscelazione teoricamente più breve, ma una finestra di processo robusta, in cui la qualità obiettivo venga raggiunta in modo duraturo e riproducibile.
Negli essiccatori-miscelatori sottovuoto e nei reattori conici amixon® l'elica dell'organo di miscelazione SinConcave®/SinConvex® può mettere a disposizione superfici di scambio termico particolarmente ampie. Oltre alla camera di miscelazione temperabile a doppia parete, possono essere realizzati temperabili anche albero, bracci di miscelazione ed elica. Queste superfici si estendono profondamente nel volume di prodotto e integrano la trasmissione del calore attraverso il mantello del recipiente.
La loro efficacia si basa sul fatto che vengono toccate continuamente dal prodotto in miscelazione. Il ricircolo tridimensionale del prodotto solleva il prodotto vicino alla parete, lo riconduce verso il basso al centro e lo riporta ripetutamente a contatto con parete del recipiente, albero, bracci ed elica. Il contatto con le superfici temperate viene rinnovato costantemente. Ciò consente di realizzare in modo efficiente lo scambio di calore e materia durante l'essiccazione sotto vuoto, senza esporre il prodotto a temperature o velocità di giro inutilmente elevate.
Il vuoto abbassa il punto di ebollizione di acqua e solventi. Ciò consente di condurre l'essiccazione a temperature di prodotto più basse, il che protegge principi attivi sensibili, prodotti chimici fini, prodotti cristallini, microrganismi, pigmenti o polveri speciali. I risparmi non nascono dal fatto che venga meno l'energia di evaporazione necessaria, ma dalla riduzione delle perdite di calore, delle sovratemperature inutili, dei tempi di miscelazione improduttivi e dei cicli di essiccazione troppo lunghi.
Svuotamento residuo e tempi di cambio
Lo svuotamento residuo è un parametro di efficienza centrale, spesso sottovalutato. Ogni quantità di prodotto che rimane nel miscelatore dopo lo scarico causa perdita di prodotto, ulteriore onere di pulizia, rischio di trascinamento, o più di questi svantaggi contemporaneamente. Con principi attivi di elevato valore, prodotti chimici speciali, ingredienti alimentari costosi o additivi funzionali, uno svuotamento residuo ampio può essere economicamente più importante del risparmio di singoli chilowattora.
I sistemi di miscelazione amixon® possono consentire, a seconda della forma costruttiva e delle proprietà del prodotto, uno svuotamento residuo molto ampio. Per le serie AM e KS vengono indicati gradi di svuotamento residuo fino a circa il 99,98 %, per i concetti di scarico ComDisc® fino a circa il 99,99 %. Tali valori sono obiettivi costruttivi, non una garanzia generica per ogni ricetta. Il grado di svuotamento effettivamente raggiungibile dipende da dimensione delle particelle, densità apparente, umidità, appiccicosità, carica elettrostatica, stato della superficie, adesione del prodotto e concetto di scarico. Per questo deve essere verificato con il prodotto originale.
L'elica dell'organo di miscelazione SinConcave®/SinConvex® favorisce, oltre alla trasmissione del calore e alla qualità di miscelazione, anche uno svuotamento residuo ampio. Muove il prodotto in modo controllato attraverso l'intera camera di miscelazione e lo convoglia, a seconda della geometria del recipiente, verso la zona di scarico. Negli apparecchi conici la gravità offre un ulteriore sostegno. Un buono svuotamento riduce l'onere di pulizia, abbassa il consumo di mezzi di risciacquo o di pulizia, accorcia il tempo fino al lotto successivo e riduce il rischio di contaminazione crociata.
Camere di miscelazione e aperture di ispezione a basso spazio morto e ben accessibili riducono ulteriormente il tempo di pulizia e cambio. Ciò aumenta la disponibilità produttiva dell'impianto. Proprio negli impianti multiprodotto, ogni cambio di prodotto accorciato migliora l'Overall Equipment Effectiveness e aumenta la quantità di prodotto rilasciato producibile ogni anno.
Manutenzione e durata di utilizzo
I costi di manutenzione sono influenzati da costruzione, velocità di giro, concetto di tenuta, abrasività del prodotto, frequenza di pulizia e accessibilità. Un organo di miscelazione supportato solo in alto evita un passaggio d'albero inferiore nella zona di prodotto. Ciò riduce il numero di punti critici di tenuta e supporto. La conduzione a bassa velocità limita inoltre l'usura su organo di miscelazione, supporti e superfici a contatto con il prodotto.
Una lunga durata di utilizzo reale migliora sensibilmente l'economicità. Se un apparecchio può essere gestito in modo affidabile per molti anni grazie a manutenzione preventiva, ricambi disponibili, modernizzazione o retrofit, l'investimento si distribuisce su un numero maggiore di lotti. amixon® riferisce che numerose macchine sono in esercizio quotidiano da oltre 30 anni. La durata di utilizzo concreta resta tuttavia dipendente da prodotto e processo: sostanze abrasive, mezzi aggressivi, forti cambiamenti di temperatura, frequente pulizia a umido o elevati cambi di carico possono accelerare l'usura di singoli componenti.
L'approvvigionamento di ricambi a lungo termine e la documentata riproducibilità di componenti specifici per il cliente favoriscono un esercizio pianificabile a lungo termine. Per una valutazione TCO realistica dovrebbero comunque essere considerati intervalli di manutenzione, costi delle tenute, costi di magazzino, onere di pulizia e disponibilità impiantistica attesa.
Scale-up con il prodotto originale
amixon® può supportare i clienti in modo competente e corretto nel trasferimento di prove di laboratorio e pilota a grandi impianti di essiccazione-miscelazione sottovuoto. Un ingrandimento di scala nei processi termici non può essere derivato soltanto da similitudini geometriche. Se un impianto di produzione è notevolmente più grande dell'essiccatore da centro prove, cambiano tra l'altro le superfici di trasmissione del calore attivamente bagnate, l'altezza di riempimento, la massa termica, le perdite di calore, il carico del condensatore, la portata volumetrica dei vapori, il carico del filtro e l'alimentazione del mezzo di termoregolazione.
Per questo amixon® esegue prove di essiccazione e reazione con il prodotto originale e registra in modo completo i dati di processo rilevanti. Tra questi rientrano, per esempio, l'andamento di pressione e vuoto, la temperatura del prodotto, le temperature di mandata e ritorno del mezzo di riscaldamento o raffreddamento, la quantità di condensato, il flusso di condensato, la velocità di giro dell'organo di miscelazione, la coppia, il grado di riempimento, il comportamento del prodotto e il tempo di processo. Su questa base amixon® può definire la superficie di scambio termico necessaria, la conduzione della temperatura, la tecnica del vuoto, il filtro vapori, il condensatore, la potenza di riscaldamento e raffreddamento, la progettazione dell'organo di miscelazione, nonché la taglia idonea per l'impianto industriale di destinazione.
I dati di misura dell'essiccazione vengono combinati con il know-how impiantistico e con calcoli termodinamici. Ciò consente di stimare in anticipo e definire costruttivamente la prestazione di un grande impianto di produzione. La superficie di scambio termico attiva non viene derivata solo dalla geometria del recipiente. Viene considerato anche il contatto del prodotto con gli utensili di miscelazione temperabili per gradi di riempimento diversi. Ciò è importante perché la superficie di scambio termico efficace può variare durante l'essiccazione a causa della diminuzione del grado di riempimento e del cambiamento delle proprietà del prodotto.
amixon® può quindi realizzare, dal punto di vista costruttivo e produttivo, le caratteristiche dell'apparecchio definite sulla base delle prove. Tra queste rientrano geometria del recipiente, taglia, organo di miscelazione, albero temperabile, bracci ed elica di miscelazione, superfici di scambio termico, riserva di coppia, rotori di taglio, sistema del vuoto, filtro vapori, condensatore, scelta dei materiali, concetto di tenuta, organo di scarico, sistema di pulizia, strumentazione e automazione. L'impianto non viene dimensionato solo teoricamente, ma calibrato sulle condizioni di processo osservate in prova.
L'obiettivo di questo approccio è che il cliente, dopo il completamento e la messa in servizio, possa produrre rapidamente con la qualità di prodotto prevista. L'impianto non deve dover essere «rodato» solo durante l'esercizio produttivo tramite adattamenti successivi, riserve di prestazione poco chiare o problemi di processo evitabili. La prova al centro prove riduce questo rischio, perché le fasi di processo critiche — per esempio il riscaldamento, la fase di forte evaporazione, le transizioni reologiche, il raggiungimento dell'umidità residua obiettivo, il raffreddamento, lo svuotamento e la pulizia — vengono esaminate e documentate prima dell'investimento.
Ulteriori informazioni sul trasferimento dei dati di prova a grandi impianti di produzione sono disponibili nell'articolo amixon® «amixon® aiuta nel dimensionamento di grandi impianti di essiccazione-miscelazione sottovuoto».
Le prove come base decisionale
Prima di un investimento, le ipotesi tecniche ed economiche dovrebbero essere verificate con il prodotto originale. Nel centro prove amixon® presso la sede principale di Paderborn sono disponibili oltre 30 impianti di prova in diverse taglie. A completamento esistono centri prove in Giappone, India, Thailandia, Cina, Corea del Sud e Stati Uniti. Le prove possono essere condotte con gradi di riempimento realistici, dimensioni di lotto, nonché con le condizioni di temperatura, pressione e vuoto previste.
Vengono valutati qualità di miscelazione, delicatezza sul prodotto, apporto di energia, trasmissione del calore, cinetica di essiccazione, profilo di temperatura, andamento del vuoto, flusso di condensato, svuotamento residuo, pulibilità, tempo di cambio e riproducibilità. I risultati vengono documentati e costituiscono la base per la progettazione dell'impianto di produzione, nonché per i calcoli di TCO, ROI e ammortamento. Ricette, risultati di prova e dati di processo elaborati insieme vengono trattati in modo riservato.