Flusso tubolare

Il flusso tubolare e il flusso a vasca sono due concetti fondamentali della miscelazione continua delle polveri. Entrambe le forme di flusso si differenziano nettamente nel loro comportamento dal punto di vista della tecnologia di processo. Quale soluzione sia la migliore dipende sempre dal caso d’applicazione concreto.

Nel flusso tubolare, il materiale sfuso viene trasportato in modo continuo attraverso una camera di miscelazione sostanzialmente tubolare. La miscelazione avviene durante il flusso assiale. Idealmente, il flusso si avvicina a un flusso a tappo. La rimiscelazione assiale è minima. Le particelle si muovono attraverso il miscelatore con un tempo di permanenza simile.

Un parametro centrale è il tempo di permanenza medio. Descrive la durata media di permanenza di una particella nel sistema.

t_m = V/V˙

• t è il tempo di permanenza medio
• V è il volume di miscelazione effettivo
• V˙ è la portata volumetrica

Nel flusso tubolare non è rilevante solo il valore medio del tempo di permanenza, ma soprattutto la sua distribuzione. La distribuzione del tempo di permanenza è relativamente stretta. Ciò favorisce una qualità uniforme del prodotto. I profili di temperatura o umidità possono essere controllati facilmente. Il flusso tubolare è quindi particolarmente adatto a formulazioni delicate e prodotti con specifiche rigorose.

La controparte del flusso tubolare è la miscelazione in vasca a flusso continuo. In questo caso la polvere si trova in un recipiente di miscelazione con afflusso e deflusso simultanei. La vasca viene idealmente considerata come un sistema completamente miscelato. In ogni momento la composizione è omogenea in tutta la vasca.

Anche nella miscelazione in serbatoio, il tempo di permanenza medio risulta dal rapporto tra volume e portata. La differenza fondamentale sta nella distribuzione del tempo di permanenza. Per il serbatoio idealmente miscelato si ottiene una distribuzione esponenziale.

E(t) = 1/t_m ⋅ exp (−t/t_m)

• E(t) è la funzione di densità del tempo di permanenza
• t è il tempo di permanenza individuale di una particella
• t_m è il tempo di permanenza medio

Questa distribuzione implica che non esiste un tempo di permanenza minimo fisso. Una parte delle particelle lascia il serbatoio molto presto. Altre particelle rimangono nel sistema molto più a lungo. La dispersione dei tempi di permanenza è elevata. La varianza del tempo di permanenza è data da

(σ_t)² = (t_m)²

(σ_t)² è la varianza dei tempi di permanenza. Questa forte rimiscelazione ha conseguenze dal punto di vista della tecnologia di processo. La miscelazione nel serbatoio ha un effetto tampone. Le fluttuazioni nell'afflusso vengono compensate. La gestione del processo è robusta. Ciò è vantaggioso in caso di proprietà dei materiali difficili o condizioni al contorno instabili.

Per la descrizione quantitativa della rimescolamento si utilizza spesso il numero di Peclet. Esso consente una classificazione tra flusso tubolare e flusso a caldaia.

Pe = u⋅L/D_ax

• Pe è il numero di Peclet
• u è la velocità media assiale del flusso
• L è la lunghezza caratteristica della camera di miscelazione
• D_ax è il coefficiente di dispersione assiale

Numeri di Peclet elevati caratterizzano un comportamento simile al flusso tubolare con una bassa rimescolamento. Numeri di Peclet bassi indicano un forte rimescolamento e un comportamento simile a quello del serbatoio.

Il flusso tubolare e la miscelazione continua in caldaia non sono quindi processi concorrenti in termini di migliore o peggiore. Rappresentano strumenti di ingegneria di processo diversi. Il flusso tubolare offre distribuzioni di tempo di permanenza strette ed elevata dinamica di processo. La miscelazione in caldaia offre stabilità ed effetto tampone. La scelta della forma di flusso adeguata influenza in modo determinante la qualità della miscelazione, la costanza del prodotto, la regolabilità e l'economicità. Si tratta di un passo fondamentale nella progettazione dei processi di miscelazione continua delle polveri.