Guía del comprador de mezcladores de alto cizallamiento: selección, servicio y tamaño del rotor-estator

Un lote que debería ser una emulsión estable todavía muestra gotas visibles en un portaobjetos después de cuarenta minutos de agitación, y cada intento de arreglarlo aumentando la velocidad del agitador simplemente calienta el producto. El agitador está haciendo su trabajo (mueve todo el tanque), pero no está haciendo lo único que la receta realmente necesita: poner una gran cantidad de energía en un volumen muy pequeño de líquido.

Para eso sirve un mezclador de alto cizallamiento. La versión corta, antes del detalle: si su objetivo es un tamaño objetivo de gota o partícula, necesita cizallamiento rotor-estator; Si su objetivo es mezclar, suspender o transferir calor, un impulsor convencional lo hará por menos dinero y menos calor. La mayoría de las instalaciones de alto corte decepcionantes no son máquinas mal construidas. Son la máquina correcta aplicada a la tarea equivocada.

Lo que realmente hace un mezclador de alto cizallamiento

El cizallamiento es un gradiente de velocidad: la diferencia de velocidad entre dos capas de fluido dividida por la distancia entre ellas. Dentro de un cabezal de trabajo rotor-estator, la punta del rotor pasa por una pared del estator estacionaria a través de un espacio medido en milímetros. Una velocidad punta de 20 m/s a través de un espacio de 1 mm corresponde a una velocidad de corte local del orden de 20.000 segundos recíprocos. En la mayor parte del mismo tanque, la zona de descarga del impulsor rara vez excede unos pocos cientos. Esos dos o tres órdenes de magnitud son toda la historia de la mezcla de alto cizallamiento.

Densidad de energía, no velocidad del eje.

La potencia del motor por sí sola dice muy poco. La velocidad de corte aumenta aproximadamente con la velocidad punta, mientras que la potencia en flujo turbulento escala con algo cercano al cubo de la velocidad punta. Duplicar la velocidad duplica el corte que ve el producto, pero requiere aproximadamente ocho veces más potencia, y casi toda esa energía adicional se convierte en calor en el producto. Una modesta cabeza de rotor-estator puede vencer a un agitador mucho más grande para hacer una emulsión y perder mucho en la mezcla. El dimensionamiento debe partir de la operación unitaria, no de la potencia nominal en kilovatios.

Lote y en línea son dos máquinas diferentes.

• Un mezclador discontinuo de alto cizallamiento lleva el cabezal de trabajo al recipiente, generalmente sobre un eje de entrada superior. Todo el lote circula a través de la zona de corte muchas veces, por lo que la receta tiene un punto final claro y un recipiente hace todo.
• Un mezclador en línea de alto cizallamiento bombea el producto a través de una cámara que contiene el rotor y el estator. Puede funcionar como un solo paso o como un circuito de recirculación y proporciona un control de temperatura mucho mejor porque la zona de corte contiene solo un pequeño volumen de producto a la vez.

De cualquier manera, la zona de alto corte es pequeña y el resto del recipiente todavía tiene trabajo por hacer: alimentar el producto en el cabezal de manera constante, evitar zonas muertas en las esquinas y mantener los sólidos fuera del fondo. Esa es la pregunta que responde el modelado de flujo antes de cortar cualquier acero, razón por la cual el trabajo CFD descrito en el sitio web página de servicio de dinámica de fluidos suele ser el primer paso en un difícil proyecto de dispersión.

Alto cizallamiento versus agitación convencional: una tabla de decisiones

La mayoría de los argumentos sobre la especificación provienen de tratar toda la mezcla como una sola operación. En realidad son tres operaciones que comparten un tanque.

Nada de esto hace que un agitador convencional quede obsoleto. Una unidad de entrada superior del tamaño adecuado es la máquina correcta para mezclar, suspender y transferir calor, y combinarla con un cabezal de corte alto separado para el paso de dispersión suele ser más económico y flexible que obligar a una máquina a cubrir ambas tareas. Unidades como el mezclador de entrada superior TOPA001DR están diseñadas para ese trabajo de flujo a granel, con disposiciones de sellos y cojinetes dimensionadas para servicio continuo en lugar de para corte máximo.

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Adaptación del cabezal de trabajo a la viscosidad y los sólidos

La viscosidad decide qué familias de mezcladores están disponibles, porque controla si el producto fresco puede fluir hacia la zona de corte. En una cabeza de rotor-estator, la separación es fija y estrecha; Si el producto no drena en él, la cabeza simplemente gira en una cavidad que ella misma ha creado.

• Por debajo de aproximadamente 5000 cP, las hélices, las turbinas de palas inclinadas y los rotores-estatores en línea funcionan, y en línea suele ser el más eficiente desde el punto de vista energético porque una bomba alimenta la zona de corte en lugar de depender del flujo a granel.
• Entre 5.000 y 50.000 cP entran en juego los discos dispersores y los cabezales multietapa. Confirme que el producto se pueda bombear si planea un circuito en línea y observe la corriente del motor durante el arranque en un lote establecido.
• Por encima de 50.000 cP, toman el relevo las geometrías de marco, ancla con raspador, cinta y planetaria. El corte mecánico ya no es el factor limitante: la transferencia de calor a través de una película casi estancada sí lo es, y de eso se ocupan los raspadores y las cintas.

Los sólidos añaden una segunda restricción. Los polvos cohesivos deben humedecerse antes de poder dispersarse, y un disco dispersor atrae deliberadamente un vórtice en la superficie para que el polvo sea arrastrado hacia el líquido en lugar de flotar. Una cabeza de rotor-estator descompone los aglomerados de manera muy efectiva una vez que se humedecen, pero no puede mojar una balsa flotante de pigmento. Para ese primer paso, la respuesta habitual son dispersores de alta velocidad como la serie FS1, y después se introduce el cabezal del rotor-estator para una dispersión fina.

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En línea o por lotes: elija según el calor, no según la conveniencia

Un cabezal de corte alto concentra su energía en un volumen pequeño y esa energía termina en forma de calor. En una disposición por lotes, todo el lote pasa a través de la zona caliente una y otra vez, por lo que una receta sensible a la temperatura puede dañarse mucho antes de que se alcance el objetivo de dispersión.

Un bucle en línea cambia esa aritmética. Debido a que solo un pequeño volumen permanece en la zona de corte en cualquier momento, se puede eliminar el calor entre pasadas a través de un recipiente con camisa o un intercambiador de placas, y el circuito puede funcionar durante el tiempo que la receta lo necesite sin cocinar el producto. Las unidades en línea también se limpian in situ más fácilmente y son más sencillas de instrumentar para una producción continua.

La compensación es la flexibilidad. Un cabezal de lote se puede levantar, limpiar y reutilizar para una receta diferente en cuestión de minutos; un patín en línea está comprometido con un caudal y una familia de productos. Las unidades de rotor-estator en línea, como el homogeneizador de la serie ZJH, se construyen en torno a la idea de recirculación: una pequeña cámara de corte, una bomba y un circuito, por lo que el control de la temperatura permanece en el tanque en lugar de en el mezclador.

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Qué especificar antes de comprar

1. Tamaño objetivo de gota o partícula, más el método de medición que aceptará. "Fino" y "bien mezclado" no son especificaciones, y un resultado de difracción láser no es la misma evidencia que una imagen de microscopio.
2. Viscosidad a temperatura de proceso, no a temperatura ambiente. Un producto que indica 200 cP en frío puede comportarse de manera muy diferente a 70 °C, y la separación entre cabezales debe adaptarse a ambos.
3. Rango de tamaño de lote y reducción. Si una máquina debe manejar el 20% del lote nominal, es posible que la zona de corte no permanezca sumergida y que el motor esté muy sobredimensionado.
4. Rango de velocidad de la punta, comportamiento de conducción y arranque. El control de frecuencia variable es normal en un cabezal de corte alto y un límite de torsión protege el eje cuando comienza un lote asentado.
5. Materiales mojados y estrategia de sellado. Los sólidos abrasivos, la química CIP agresiva y el servicio de vacío influyen en la decisión sobre el sello del eje, y un sello mecánico en un tanque de equilibrio de presión o un tanque de sifón es un requisito de servicio muy diferente de un simple sello de labio.
6. Una prueba piloto de su propio producto. La geometría del cabezal, el espacio y el patrón de ranura del estator interactúan con la reología de maneras que son difíciles de predecir únicamente a partir de hojas de datos.

Si desea profundizar en la geometría del cabezal de trabajo y cómo el diseño del estator cambia el tamaño de las gotas, la descripción general del sitio sobre diseño de emulsionante de alto cizallamiento cubre los detalles prácticos.

Preguntas frecuentes sobre mezcladores de alto cizallamiento

La regla que sobrevive al contacto con proyectos reales es simple: decida qué operación unitaria está comprando (flujo, dispersión o emulsificación) y compre una máquina que sea buena en esa única cosa. Los problemas de combinación rara vez se resuelven cuando se le pide a un solo trabajador que sobresalga en los tres.