Guida alla progettazione del serbatoio di miscelazione: dimensionamento, agitatori, rivestimenti, dettagli sanitari

Una volta un produttore di latte ordinò un serbatoio di miscelazione da 3.000 litri, lo riempì fino a 2.600 litri e attese ancora 25 minuti affinché il latte in polvere si sciogliesse. Il serbatoio non era troppo piccolo. L'era dell'agitatore. Una singola girante si trovava a 900 mm dal fondo su un azionamento a velocità fissa, senza deflettori, quindi la polvere cavalcava un lento vortice superficiale invece di essere trascinata verso il basso e bagnata.

Questo caso riassume la disciplina: la progettazione del serbatoio di miscelazione è innanzitutto un problema di fluido e in secondo luogo un problema di fabbricazione. Due serbatoi con mantello identico possono comportarsi in modo completamente diverso una volta che cambiano il tipo di girante, il set di deflettori, il livello di riempimento e la superficie della camicia. Esegui le decisioni nell'ordine seguente e la maggior parte delle sorprese scomparirà prima che i disegni vengano pubblicati.

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Annotare i dati del processo prima della geometria. I cinque elementi seguenti sono quelli saltati più spesso e decidono tutto ciò che segue.

I numeri che vale la pena fissare per primi

• Viscosità alla temperatura di processo, non a quella ambiente, poiché un prodotto che legge 200 cP a freddo può scendere a 20 cP a 60 °C.
• Contenuto di solidi, dimensione delle particelle e differenza di densità tra polvere e liquido, che determinano se è necessario un flusso di taglio o normale.
• Volume batch minimo e massimo, perché un serbatoio dimensionato per 5.000 L spesso si miscela maschio a 1.000 L.
• Obiettivo del tempo di miscelazione e dell'omogeneità, ad esempio uniformità del 95% entro 10 minuti.
• La velocità di riscaldamento o raffreddamento, oltre al metodo di pulizia, poiché entrambi modificano le parti interne.

Aiuta anche ad essere precisi cosa fa effettivamente un serbatoio di miscelazione : il guscio immagazzina il prodotto, mentre la girante, i deflettori e la forma del fondo creano il modello di flusso che fa il lavoro. Un serbatoio specificato solo dal volume è un contenitore, non un miscelatore.

Dimensionamento: volume, livello di riempimento e spazio di testa

Il volume totale e il volume di lavoro sono numeri diversi e confonderli è l'errore di dimensionamento più comune. Una nave agitata scorre normalmente 70-80% del suo volume totale , con lo spazio rimanente riservato alla schiuma, agli schizzi e alla sfera spray.

Dalla tabella seguono due regole pratiche. Un recipiente con un'altezza del liquido superiore a circa 1,5 volte il suo diametro di solito necessita di due giranti su un albero, mentre un serbatoio che funziona costantemente al di sotto del 40% del suo volume di lavoro è un candidato per un recipiente più piccolo o un agitatore ad ingresso laterale.

Interni e geometria del fondo

I componenti interni sono poco costosi da aggiungere in fase di disegno e costosi da aggiornare una volta collegata al serbatoio.

• Quattro deflettori a 90 gradi, sfalsati rispetto all'uscita, rimangono l'impostazione predefinita per i servizi a bassa viscosità; convertono il vortice in un turnover dall'alto verso il basso.
• Un fondo concavo con un cono corto drena meglio di un fondo piatto e lascia meno talloni tra un lotto e l'altro.
• Utilizzare uno scarico a livello e completamente drenante nel punto più basso anziché un tubo di immersione rialzato che intrappola il prodotto.
• Il montaggio con ingresso dall'alto è adatto a recipienti da circa 1 a 30 m³, mentre gli agitatori con ingresso laterale trovano il loro posto in serbatoi alti dove la lunghezza dell'albero diventa poco pratica.

Ora è necessario disegnare le tasche dei sensori, le valvole di campionamento e gli ugelli di riserva. Ogni aggiunta successiva significa un'altra saldatura, un'altra lucidatura e un altro controllo di pulizia.

Abbinamento della girante al fluido

La questione centrale è se il processo necessita di flusso o di taglio. I liquidi a bassa viscosità richiedono un ricambio sfuso, i prodotti ad alta viscosità necessitano del contatto con le pareti e i liquidi immiscibili o le polveri difficili da bagnare necessitano di taglio sulla punta della lama.

• Al di sotto di circa 100 cP: giranti ad aliscafo o a pallide inclinate, dimensionate per la velocità di pompaggio anziché per la potenza.
• 100–5.000 cP: turbina a pallida inclinata con un rapporto diametro/serbatoio maggiore, spesso in due stadi.
• Oltre 5.000 cP: ancoraggi, cancelli o nastri elicoidali che corrono vicino al muro, che migliorano anche il trasferimento di calore della camicia.
• Servizio di emulsione e dispersione: teste rotore-statore, talvolta funzionanti sotto vuoto.

Per una semplice miscelazione a bassa viscosità, un recipiente agitato a parete singola è spesso la risposta più economica, con il budget risparmiato destinato ai deflettori e ad una scatola del cambio correttamente dimensionata. Un serbatoio di miscelazione in SS304 da 500 L a 5.000 L copre un'ampia gamma di lotti di bevande, salse e prodotti chimici leggeri quando l'agitatore è abbinato al fluido.

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Quando il processo necessita realmente di un taglio elevato

Le teste del rotore-statore girano a velocità massime di circa 15–25 m/s e riducono goccioline o agglomerati nell'intervallo 2–50 µm, motivo per cui sono specifiche per emulsioni, gomme e dispersioni di pigmenti piuttosto che per miscele sfuse. Non sono una cura per il flusso scarso: una testa ad alto taglio all'interno di un serbatoio senza deflettori lascia comunque zone morte negli angoli.

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Trasferimento di calore: camicie, bobina e approccio alla temperatura

Se il prodotto deve essere riscaldato o raffreddato, l'area della camicia è spesso il fattore limitante, poiché un circuito di controllo può funzionare solo con l'area della superficie costruita. I rivestimenti alveolati sono la scelta abituale per recipienti fino a circa 20 m³, le bobine a mezzo tubo gestiscono pressioni più elevate e le bobine interne aggiungono area a scapito dell'accesso per la pulizia.

• Abbina i mezzi: vapore per un riscaldamento rapido, acqua calda per un funzionamento delicato, glicole per il raffreddamento al di sotto della temperatura ambiente.
• Controllare l'approccio della temperatura, poiché un approccio a 10 °C richiede molta più area di uno a 40 °C.
• Isolare il guscio e la giacca per ridurre la condensa e stabilizzare la temperatura del lotto.

Un recipiente incamiciato con rivestimento alveolato e un agitatore a velocità variabile gestiscono sia la miscela che la rampa di temperatura in un'unica unità, eliminando una fase di trasferimento tra i recipienti e la pulizia che ne deriva.

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Materiali, finitura e pulibilità

La selezione del grado dipende dal prodotto e dai prodotti chimici per la pulizia, non dall'abitudine. L'SS304 copre la maggior parte dei prodotti lattiero-caseari, delle bevande e dei prodotti chimici leggeri, mentre l'SS316L è la scelta più sicura per l'esposizione al cloruro, i prodotti acidi, i lavori ad elevata purezza e una maggiore durata.

• Una finitura interna di circa Ra 0,4–0,8 µm è adatta alla maggior parte dei compiti sanitari; il lavoro farmaceutico spesso richiede la lucidatura a specchio.
• Inclinare il fondo verso l'uscita e arrotondare gli angoli interni in modo che il prodotto non possa accumularsi.
• Verificare la copertura della sfera di spruzzo su tutto il volume di lavoro, compreso il guscio superiore e la parte inferiore della testa superiore.
• Eliminare le parti morte sugli ugelli degli strumenti, poiché sono una fonte comune di risultati di contaminazione ripetuta.

Guida, guarnizioni e controllo

Specificare coppia e flusso, non RPM. Il riduttore dovrebbe avere un fattore di servizio di almeno 1,5 rispetto alla coppia di miscelazione calcolata, poiché la coppia di avvio in un lotto viscoso stabilizzato può essere diverse volte la cifra di funzionamento. Per la tenuta, una tenuta meccanica sanitaria o una guarnizione a labbro lavabile mantenendo il lontano lubrificante dal prodotto.

• Un azionamento a frequenza variabile consente a un serbatoio di servire diverse ricette ed evita di sottoporre a taglio eccessivo i prodotti sensibili al taglio.
• Celle di carico, una sonda PT100 e un sensore di conducibilità del pH trasformano il serbatoio in una fase di processo monitorata.
• Il controllo delle ricette su un PLC con dei dati semplifica la registrazione dei lotti e la verifica della pulizia registrazione.

Sei errori che vengono visualizzati dopo l'avvio

1. Ridimensionare il volume totale e poi chiedersi perché mezzo lotto non si mescola mai.
2. Omissione dei deflettori su un prodotto a bassa viscosità, in modo che si formi un vortice superficiale e le polveri galleggino.
3. Montare la girante troppo in alto rispetto al fondo, lasciando uno strato di sedimenti che non si solleva mai.
4. Sottodimensionamento dell'area della giacca, quindi tentare di correggerlo con una valvola di controllo più grande.
5. Ignorando la copertura CIP per la testa superiore e gli ugelli.
6. Acquistare in base al numero di giri anziché alla coppia e al flusso, che in seguito appare come sovraccarico del motore in un lotto freddo e viscoso.

Una lista di controllo da approvare prima della fabbricazione

• Dati di utilizzo: curva di viscosità, solidi, intervallo batch, tempo di miscelazione target.
• Geometria: volume di lavoro, rapporto altezza del liquido, dimensione e conteggio del deflettore, tipo di girante, diametro e distanza dal fondo.
• Scambio termico: tipo di camicia, area superficiale, mezzi, approccio alla temperatura, isolamento.
• Materiali e finiture: grado, rugosità superficiale, trattamento di saldatura, pendenza per drenare.
• Azionamento e tenute: coppia, fattore di servizio, tipo di tenuta, gamma VFD.
• Strumentazione e pulizia: ugelli sensori, dispositivi spray, filosofia di controllo.

Una buona progettazione del serbatoio di miscelazione è principalmente una questione di ordine: fissare il compito, dimensionare la geometria, scegliere la girante per il fluido, quindi verificare che la camicia, la finitura e la trasmissione possano fornire ciò che il processo richiedeva. Se eseguiti correttamente questi quattro passaggi, un recipiente da 1.000 L si comporterà esattamente come previsto a 600 L, a 60 °C e al decimo ciclo di pulizia.

YME Equipment Co., Ltd costruisce recipienti di miscelazione sanitari a parete singola, rivestiti, ad alta azione di taglio e sotto vuoto per prodotti lattiero-caseari, bevande, produzione di birra, biotecnologie e prodotti chimici. Se disponi di dati sul servizio e di un intervallo di batch, inviarli al team di ingegneri e far controllare l'agitatore e la camicia rispetto ai numeri prima che i disegni vengano congelati.