Guida all'acquisto del miscelatore ad alto taglio: selezione rotore-statore, funzionamento e dimensionamento

Un lotto che dovrebbe essere un'emulsione stabile mostra ancora goccioline visibili su un vetrino dopo quaranta minuti di agitazione, e ogni tentativo di fissarlo aumentando la velocità dell'agitatore non fa altro che riscaldare il prodotto. L’agitatore sta facendo il suo lavoro – muove l’intero serbatoio – ma non sta facendo l’unica cosa di cui la ricetta ha effettivamente bisogno: mettere una grande quantità di energia in un volume molto piccolo di liquido.

Ecco a cosa serve un miscelatore ad alto taglio. La versione breve, prima dei dettagli: se il tuo obiettivo è la dimensione delle gocce o delle particelle target, hai bisogno del taglio rotore-statore; se il tuo obiettivo è la miscelazione, la sospensione o il trasferimento di calore, una girante convenzionale lo farà con meno soldi e meno calore. Le installazioni ad alto taglio più deludenti non sono macchine mal costruite. Sono la macchina giusta applicata al compito sbagliato.

Cosa fa realmente un mixer ad alto taglio

Il taglio è un gradiente di velocità: la differenza di velocità tra due strati di fluido divisa per la distanza tra loro. All'interno di una testa di lavoro rotore-statore, la punta del rotore passa oltre una parete stazionaria dello statore attraverso uno spazio misurato in millimetri. Una velocità alla punta di 20 m/s attraverso uno spazio di 1 mm corrisponde ad una velocità di taglio locale dell'ordine di 20.000 secondi reciproci. Nella maggior parte dello stesso serbatoio, la zona di scarico della girante raramente supera poche centinaia. Questi due o tre ordini di grandezza rappresentano l’intera storia della miscelazione ad alto taglio.

Densità di energia, non velocità dell'albero

La potenza del motore da sola dice molto poco. La velocità di taglio varia grosso modo con la velocità di punta, mentre la potenza in un flusso turbolento varia con qualcosa di vicino al cubo della velocità di punta. Raddoppiando la velocità si raddoppia il taglio che il prodotto vede ma richiede circa otto volte la potenza e quasi tutta quell'energia extra si trasforma in calore nel prodotto. Una modesta testa rotore-statore può battere un agitatore molto più grande nel produrre un'emulsione e perdere molto durante la miscelazione. Il dimensionamento deve partire dal funzionamento dell'unità e non dalla potenza in kilowatt.

Batch e inline sono due macchine diverse

• Un miscelatore batch ad alto taglio trasporta la testa di lavoro nel recipiente, solitamente su un albero con ingresso dall'alto. L'intero lotto circola più volte attraverso la zona di taglio, quindi la ricetta ha un punto finale chiaro e un recipiente fa tutto.
• Un miscelatore in linea ad alto taglio pompa il prodotto attraverso una camera contenente il rotore e lo statore. Può funzionare come passaggio singolo o come circuito di ricircolo e offre un controllo della temperatura molto migliore perché la zona di taglio trattiene solo un piccolo volume di prodotto alla volta.

In ogni caso, la zona di taglio elevato è piccola e il resto della nave ha ancora del lavoro da fare: alimentare costantemente il prodotto nella testa, evitare zone morte negli angoli e mantenere i solidi lontani dal fondo. Questa è la domanda a cui risponde la modellazione del flusso prima che l'acciaio venga tagliato, motivo per cui il lavoro CFD descritto su questo sito pagina del servizio fluidodinamica di solito è il primo passo in un difficile progetto di dispersione.

Taglio elevato rispetto all'agitazione convenzionale: una tabella decisionale

La maggior parte degli argomenti relativi alle specifiche derivano dal considerare tutta la miscelazione come un'unica operazione. In realtà sono tre le operazioni che coinvolgono un carro armato.

Niente di tutto ciò rende obsoleto un agitatore convenzionale. Un'unità con ingresso dall'alto adeguatamente dimensionata è la macchina corretta per la miscelazione, la sospensione e il trasferimento di calore, e abbinarla a una testa di taglio separata ad alto taglio per la fase di dispersione è spesso più economico e più flessibile che forzare una macchina a coprire entrambi i compiti. Unità come il miscelatore con ingresso dall'alto TOPA001DR sono progettate attorno a questo lavoro di flusso sfuso, con disposizioni di guarnizioni e cuscinetti dimensionate per il servizio continuo piuttosto che per il taglio di picco.

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Abbinamento della testa di lavoro alla viscosità e ai solidi

La viscosità decide quali famiglie di miscelatori sono disponibili, perché controlla se il prodotto fresco può fluire nella zona di taglio. In una testa rotore-statore il traferro è fisso e ristretto; se il prodotto non scorre al suo interno, la testa gira semplicemente in una cavità di sua creazione.

• Al di sotto di circa 5.000 cP, le eliche, le turbine a pale inclinate e i rotori-statori in linea funzionano tutti, e in linea è solitamente il più efficiente dal punto di vista energetico perché una pompa alimenta la zona di taglio invece di fare affidamento sul flusso di massa.
• Tra i 5.000 e i 50.000 cP entrano in gioco i dischi dispersori e le teste multistadio. Verificare che il prodotto possa essere pompato se si pianifica un circuito in linea e osservare la corrente del motore durante l'avvio su un lotto stabilizzato.
• Sopra i 50.000 cP, subentrano le geometrie del telaio, dell'ancora con raschiatore, del nastro e del planetario. Il taglio meccanico non è più un fattore limitante: lo è il trasferimento di calore attraverso una pellicola quasi stagnante, ed è proprio a questo che si rivolgono i raschiatori e i nastri.

I solidi aggiungono un secondo vincolo. Le polveri coesive devono essere bagnate prima di poter essere disperse e un disco dispersore attira deliberatamente un vortice sulla superficie in modo che la polvere venga aspirata nel liquido anziché galleggiare. Una testa rotore-statore rompe gli agglomerati in modo molto efficace una volta bagnati, ma non può bagnare una zattera galleggiante di pigmento. Per questo primo passo, i dispersori ad alta velocità come la serie FS1 sono la risposta abituale, con la testa rotore-statore portata successivamente per la dispersione fine.

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In linea o batch: scegli in base al calore, non alla comodità

Una testa ad alto taglio concentra la sua energia in un piccolo volume e quell'energia finisce sotto forma di calore. In una disposizione batch, l'intero batch passa ripetutamente attraverso la zona calda, quindi una ricetta sensibile alla temperatura può essere danneggiata molto prima che venga raggiunto l'obiettivo di dispersione.

Un ciclo in linea cambia l'aritmetica. Poiché in qualsiasi momento nella zona di taglio si trova solo un piccolo volume, il calore può essere rimosso tra i passaggi attraverso un recipiente incamiciato o uno scambiatore a piastre e il circuito può funzionare per tutto il tempo richiesto dalla ricetta senza cuocere il prodotto. Le unità in linea inoltre si puliscono più facilmente e sono più semplici da strumentare per la produzione continua.

Il compromesso è la flessibilità. Una testa batch può essere sollevata, pulita e riutilizzata per una ricetta diversa in pochi minuti; uno skid in linea è vincolato a una portata e a una famiglia di prodotti. Le unità rotore-statore in linea come l'omogeneizzatore della serie ZJH sono costruite attorno all'idea del ricircolo: una piccola camera di taglio, una pompa e un circuito, quindi il controllo della temperatura rimane con il serbatoio anziché con il miscelatore.

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Cosa specificare prima dell'acquisto

1. Dimensione target delle goccioline o delle particelle, oltre al metodo di misurazione che accetterai. "Fine" e "ben miscelato" non sono specifiche e un risultato di diffrazione laser non è la stessa prova di un'immagine al microscopio.
2. Viscosità alla temperatura di processo, non a temperatura ambiente. Un prodotto che legge 200 cP a freddo può comportarsi in modo molto diverso a 70 °C e la distanza tra le teste di lavoro deve adattarsi a entrambi.
3. Intervallo di dimensioni del lotto e turndown. Se una macchina deve gestire il 20% del lotto nominale, la zona di taglio potrebbe non rimanere sommersa e il motore potrebbe essere notevolmente sovradimensionato.
4. Gamma di velocità di punta, comportamento di guida e di avviamento. Il controllo della frequenza variabile è normale su una testa ad alto taglio e un limite di coppia protegge l'albero quando inizia un lotto stabilizzato.
5. Materiali bagnati e strategia di tenuta. I solidi abrasivi, la chimica CIP aggressiva e il funzionamento sotto vuoto spingono tutti verso la decisione sulla tenuta dell'albero, e una tenuta meccanica su un serbatoio di bilanciamento della pressione o un serbatoio a sifone è un requisito di servizio molto diverso da una semplice tenuta a labbro.
6. Una prova pilota sul tuo prodotto. La geometria della testa, il gap e il modello delle cave dello statore interagiscono con la reologia in modi difficili da prevedere solo dalle schede tecniche.

Se desideri approfondire la geometria della testa di lavoro e il modo in cui la progettazione dello statore modifica le dimensioni delle goccioline, puoi consultare la panoramica del sito design dell'emulsionatore ad alto taglio copre i dettagli pratici.

Domande frequenti sui miscelatori ad alto taglio

La regola che sopravvive al contatto con progetti reali è semplice: decidi quale operazione unitaria stai acquistando – flusso, dispersione o emulsione – e acquista una macchina che sia brava in quella cosa. I problemi di mixaggio raramente rimangono risolti quando a una singola testa di lavoro viene chiesto di eccellere in tutti e tre i settori.