Miscelatore a sfere

I miscelatori a sfere sono macchine di miscelazione che possono essere utilizzate per omogeneizzare o miscelare polveri secche, umide o bagnate. Possono anche miscelare liquidi. Sono generalmente utilizzati per i processi di miscelazione in batch. L'interno della sfera costituisce la cosiddetta camera di miscelazione. Un utensile di miscelazione ruota nella camera di miscelazione e stratifica la miscela in tre dimensioni. Questo processo di flusso produce un'efficienza di miscelazione molto elevata se la posizione dell'asse di rotazione dell'utensile di miscelazione non è né orizzontale né verticale. Il miglior effetto di miscelazione si ottiene con una disposizione inclinata. I miscelatori a sfera possono essere utilizzati anche come reattori di sintesi o essiccatori a vuoto. In questo caso, la sfera è a doppia parete. Un mezzo di trasferimento del calore scorre attraverso la doppia camicia. In questo modo, avviene uno scambio di massa e di calore.

I miscelatori a sfere sono dotati di almeno uno strumento di miscelazione rotante. Questo garantisce una miscelazione completa dell'intero lotto. Come opzione, possono essere forniti strumenti di miscelazione aggiuntivi. Di norma, si tratta di utensili a rotazione rapida o a coltello. Questi hanno un diametro effettivo più piccolo e causano la deagglomerazione durante il processo di miscelazione. Generano effetti di attrito e di impatto. In questo modo si rompono grumi e agglomerati.

Sono molto efficaci anche quando le polveri devono essere inumidite o rivestite, o quando ciò è richiesto per tutte le particelle. La potenza assorbita è pari a circa 3,5 volte la frequenza di rotazione.

I produttori di miscelatori a sfere hanno introdotto sul mercato diversi modelli. Alcuni produttori montano l'albero di miscelazione in diagonale sopra la sfera, altri in diagonale sotto. Altri montano l'albero di miscelazione ad angolo sotto la sfera. Altri ancora montano l'albero di miscelazione ad angolo in alto e l'utensile di deagglomerazione aggiuntivo ad angolo in basso. Alcuni produttori montano sia l'utensile di miscelazione principale che quello di deagglomerazione sopra la sfera.

Strumenti di miscelazione principali nei miscelatori a sfere

I produttori di miscelatori a sfere hanno stabilito diverse geometrie di utensili. Alcuni hanno progettato l'utensile di miscelazione principale come un'armatura spazialmente curva. Altri utilizzano spirali elicoidali. Altri ancora utilizzano utensili simili a pale. È fondamentale che gli utensili di miscelazione che ruotano nella sfera abbiano sempre la stessa distanza dalla parete della sfera, indipendentemente dalla loro posizione. Questa distanza deve essere garantita anche quando si mescolano materiali pesanti o appiccicosi. A questo proposito, gli utensili di miscelazione devono essere progettati per essere particolarmente stabili dal punto di vista dimensionale.

Riempimento con la miscela

I componenti da miscelare vengono riempiti nella camera di miscelazione dall'alto. A tale scopo è necessario almeno un bocchettone di riempimento. Alcuni miscelatori a sfera hanno anche diverse aperture di riempimento. La valvola di intercettazione può essere una valvola rotante, una valvola a scorrimento piatta o una valvola a sfera segmentata. A differenza della valvola di scarico, la valvola di riempimento non deve funzionare senza spazi morti. Sulla parte superiore della sfera è presente un ugello di sfiato.

Svuotamento della miscela

All'estremità inferiore della camera di miscelazione sferica si trova una valvola di chiusura. Quando è chiusa, dovrebbe avere la forma di una sfera tagliata. Solo una struttura di questo tipo è priva di spazi morti. Ciò significa che ogni frazione di volume della sfera viene miscelata, anche direttamente sopra la valvola di intercettazione.

Pulizia e ispezione della camera di miscelazione

Alcuni miscelatori a sfera hanno due emisferi che possono essere aperti per l'ispezione. Altri produttori installano sportelli di ispezione rotondi o ovali nella camera di miscelazione. Anche questi devono essere privi di spazi morti. Il design ^OmgaSeal® si è rivelato particolarmente efficace. Nella camera di miscelazione sono installati ugelli di lavaggio a vasca rotante per la pulizia a umido. Esistono anche progetti in cui i dispositivi di lavaggio a umido rimangono permanentemente nel miscelatore.

Domanda: Quali vantaggi offre la sfera come serbatoio di miscelazione?

Il volume di una sfera di raggio r può essere calcolato con la seguente formula:

V = 4/3 ⋅ r³ ⋅ π

L'area della superficie di una sfera di raggio r può essere calcolata con la seguente formula

O = 4 ⋅ r² ⋅ π

Se si confrontano tra loro diversi corpi a simmetria rotazionale, la sfera ha la superficie specifica più piccola. Ciò suggerisce che una camera di miscelazione sferica è più facile da pulire rispetto a una camera di miscelazione cilindrica o conica. D'altra parte, si può supporre che una camera di miscelazione conica possa scaricare i residui di materiale di miscelazione in polvere meglio di una sfera. I produttori cercano di produrre le loro miscele il più possibile prive di contaminazione. Lo svuotamento completo di un impianto di miscelazione gioca un ruolo sempre più importante in questo senso.

Se un miscelatore a sfere di carbone è riempito d'acqua e si vuole calcolare il volume d'acqua in funzione del livello di riempimento, si applica la seguente formula approssimativa:

V(𝑧) = π ⋅ z² ⋅(3 ⋅ r - 𝑧) /3

V: volume d'acqua

z: livello di riempimento

r: raggio interno della sfera cava

Poiché la presenza dello strumento di miscelazione viene ignorata, la formula fornisce solo un valore approssimativo. Il volume d'acqua effettivo è leggermente inferiore.

Pulizia e ispezione dell'utensile di miscelazione

La pulizia dell'utensile di miscelazione a movimento dinamico è un aspetto particolarmente importante. Questa parte del mescolatore a sfere è molto più complessa della camera di miscelazione. Per questo motivo si applicano requisiti speciali. Il suo design deve soddisfare i requisiti fluidici di una lama di miscelazione. Deve inoltre soddisfare i requisiti igienici dell'EHEDG.

L'utensile di miscelazione deve avere una geometria semplice.

• L'utensile di miscelazione deve favorire il flusso dei materiali da miscelare ed evitare effetti di compattazione.
• Ciò deve valere sia per le polveri finemente disperse che per i materiali sfusi sfaldati o agglomerati.
• Ciò vale anche per i prodotti secchi e fluidificabili e per le polveri umide e poco fluide.
• L'utensile di miscelazione deve avere la minore superficie possibile.
• Deve essere progettato in modo tale che tutte le aree siano facilmente ed ergonomicamente accessibili.

È possibile trovare il design ottimale del miscelatore per ogni categoria di attività di miscelazione. Vi consigliamo di visitare ^amixon®, dove potrete provare i miscelatori di prova disponibili (cilindrici, sferici, conici, cicloidali).

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• Oltre ai test di miscelazione, ^amixon® raccomanda anche la pulizia del miscelatore dopo il test.

A seconda del tipo di materiali miscelati e dell'industria, è necessario utilizzare regimi di pulizia personalizzati. Ciò riguarda

1. pulizia a secco
2. pulizia con panni umidi
3. Pulizia manuale a umido
4. pulizia manuale a umido
5. pulizia automatica a umido.

I tipi di pulizia da (2) a (5) comprendono anche l'importante questione dell'asciugatura dell'acqua residua.

Non è raro che in un'operazione mista vengano praticati alternativamente 2 o 3 regimi di pulizia. A seconda del grado di sporcizia e della tolleranza alla contaminazione

Raffreddamento dopo la pulizia a umido con acqua calda

I clienti dell'industria alimentare spesso desiderano che il lavaggio automatico a umido venga effettuato solo con acqua calda. Vogliono fare a meno di qualsiasi tipo di tensioattivo. Ciò è possibile se si aumenta la temperatura dell'acqua di lavaggio e si regola la pressione di sovralimentazione (portata e pressione). Dopo la pulizia, il miscelatore deve asciugarsi il più rapidamente possibile. Quanto più calda è l'acqua di lavaggio, tanto più velocemente ciò avviene.

Di norma, il funzionamento del miscelatore deve essere proseguito. Tuttavia, ciò è possibile solo quando il miscelatore si è raffreddato. Grazie alla struttura sferica, il raffreddamento richiede un po' più di tempo rispetto ad altri modelli di miscelatori. La sfera cava emette calore per mezzo della radiazione termica Q˙. Questo valore può essere calcolato approssimativamente con la legge di Stefan-Boltzmann.

Q˙ = ε ⋅ σ ⋅ A ⋅ (T_s ⁴- T_u⁴)

Q ˙ : potenza termica irradiata in watt [W]

ε: Emissività della superficie (adimensionale, tra 0 e 1)

σ: costante di Stefan-Boltzmann = 5,67 × 10-⁸ W/(m² K⁴)

A: superficie esterna della sfera in metri quadrati [m²].

T_s: temperatura assoluta della superficie della sfera in Kelvin [K]

T_u: temperatura assoluta dell'ambiente in Kelvin [K]

Stima della velocità di raffreddamento di una sfera cava

Diametro della sfera: 1.000 mm

Materiale: acciaio inox 1.4404 (austenitico, V4A), lucidato esternamente e internamente

Spessore della parete: 15 mm

Emissività superficiale: 0,25

Temperatura iniziale: 70 °C

Temperatura ambiente: 15 °C

Raffreddamento alla temperatura target: 25 °C.

Si devono considerare due meccanismi di trasferimento del calore: irraggiamento termico e convezione con l'aria. Insieme, la loro capacità di raffreddamento totale è di circa 2 kW. In termini puramente matematici, il tempo di raffreddamento è di 4-5 ore. Poiché la differenza di temperatura relativa diventa sempre più piccola, la curva di raffreddamento è asintotica. Questa situazione può essere ben illustrata con la seguente funzione esponenziale:

T(t) = T_amb + (T_start - T_amb) ⋅ e^-kt

T: curva di temperatura

t: tempo

T_amb: Temperatura ambiente

T_start: Temperatura iniziale

k: coefficiente di raffreddamento, circa 8,59 × 10-⁵ 1/s

Anche l'utensile di miscelazione nella sfera cava viene riscaldato dall'acqua di lavaggio. Può raffreddarsi rapidamente solo se la camera di miscelazione viene aperta. Il vapore dell'andana che fuoriesce può avere un impatto negativo sull'ambiente di produzione se l'impianto di condizionamento non elimina l'umidità abbastanza rapidamente. A questo proposito, può essere utile rimuovere il vapore dell'andana con aria fresca e asciutta.

Aggiunta e distribuzione di liquidi nel mescolatore a sfere

Nella pratica, oltre a miscelare un'ampia varietà di polveri, è importante che queste siano bagnate in modo omogeneo. Le cosiddette lance di alimentazione dei liquidi fluiscono nel campo effettivo dell'utensile di macinazione a rotazione rapida. In questo modo si ottiene rapidamente un prodotto finale omogeneo e privo di agglomerati.

amixon ha pubblicato numerosi post su questo argomento. Questi trattano della tensione superficiale dei liquidi e delle loro proprietà reologiche al variare delle temperature e degli impatti di taglio. Anche la porosità dei solidi sfusi svolge un ruolo importante. Altrettanto importanti sono le caratteristiche del confine di fase tra solidi e liquidi, con le loro manifestazioni di idrofobicità e idrofilia.

Nota sul termine “miscelatore a sfere”.

Il termine “miscelatore a sfere cave con strumenti di miscelazione a movimento dinamico” sarebbe in realtà più preciso di “miscelatore a sfere”.

Il termine “miscelatore a sfera” è utilizzato anche nel settore sanitario. Si tratta di una rubinetteria modificata. Una sfera con più fori è collegata a una leva e può miscelare e regolare il flusso di acqua fredda e calda.