Guia do comprador do misturador de alto cisalhamento: seleção, serviço e dimensionamento do rotor-estator

Um lote que deveria ser uma emulsão estável ainda mostra gotículas visíveis em uma lâmina de imersão após quarenta minutos de agitação, e cada tentativa de fixá-la aumentando a velocidade do agitador simplesmente aquece o produto. O agitador está fazendo o seu trabalho – ele move todo o tanque – mas não está fazendo a única coisa que a receita realmente precisa: colocar uma grande quantidade de energia em um volume muito pequeno de líquido.

É para isso que serve um misturador de alto cisalhamento. A versão resumida, antes dos detalhes: se o seu objetivo é uma gota alvo ou tamanho de partícula, você precisa de cisalhamento rotor-estator; se o seu objetivo for mistura, suspensão ou transferência de calor, um impulsor convencional fará isso por menos dinheiro e menos calor. As instalações de alto cisalhamento mais decepcionantes não são máquinas mal construídas. Eles são a máquina certa aplicada à tarefa errada.

O que um misturador de alto cisalhamento realmente faz

Cisalhamento é um gradiente de velocidade – a diferença de velocidade entre duas camadas de fluido dividida pela distância entre elas. Dentro de uma cabeça de trabalho rotor-estator, a ponta do rotor passa por uma parede estacionária do estator através de uma lacuna medida em milímetros. Uma velocidade de ponta de 20 m/s através de uma folga de 1 mm corresponde a uma taxa de cisalhamento local da ordem de 20.000 segundos recíprocos. Na maior parte do mesmo tanque, a zona de descarga do impulsor raramente excede algumas centenas. Essas duas ou três ordens de grandeza são toda a história da mistura de alto cisalhamento.

Densidade de energia, não velocidade do eixo

A potência do motor por si só diz muito pouco. A taxa de cisalhamento aumenta aproximadamente com a velocidade da ponta, enquanto a potência em fluxo turbulento aumenta com algo próximo ao cubo da velocidade da ponta. Dobrar a velocidade duplica o cisalhamento que o produto sofre, mas exige cerca de oito vezes a potência, e quase toda essa energia extra se transforma em calor no produto. Uma modesta cabeça de rotor-estator pode vencer um agitador muito maior na produção de uma emulsão e perder muito na mistura. O dimensionamento deve começar pela operação da unidade e não pela classificação em quilowatts.

Lote e inline são duas máquinas diferentes

• Um misturador de alto cisalhamento em lote transporta a cabeça de trabalho para dentro do recipiente, geralmente em um eixo de entrada superior. Todo o lote circula pela zona de cisalhamento muitas vezes, então a receita tem um ponto final claro e um recipiente faz tudo.
• Um misturador de alto cisalhamento em linha bombeia o produto através de uma câmara contendo o rotor e o estator. Ele pode funcionar como uma passagem única ou como um circuito de recirculação e proporciona um controle de temperatura muito melhor porque a zona de cisalhamento retém apenas um pequeno volume de produto por vez.

De qualquer forma, a zona de alto cisalhamento é pequena e o restante do navio ainda tem trabalho a fazer: alimentar o produto no cabeçote de forma consistente, evitando zonas mortas nos cantos e mantendo os sólidos fora do fundo. Essa é a pergunta que a modelagem de fluxo responde antes de qualquer aço ser cortado, e é por isso que o trabalho de CFD descrito no site página de serviço de dinâmica de fluidos geralmente é o primeiro passo em um projeto de dispersão difícil.

Alto cisalhamento versus agitação convencional: uma tabela de decisão

A maioria dos argumentos de especificação vem do tratamento de toda mixagem como uma operação. Na verdade, são três operações que compartilham um tanque.

Nada disso torna obsoleto um agitador convencional. Uma unidade de entrada superior de tamanho adequado é a máquina correta para mistura, suspensão e transferência de calor, e combiná-la com uma cabeça de alto cisalhamento separada para a etapa de dispersão costuma ser mais barata e mais flexível do que forçar uma máquina a cobrir ambas as tarefas. Unidades como o misturador de entrada superior TOPA001DR são projetadas em torno desse trabalho de fluxo a granel, com arranjos de vedação e rolamentos dimensionados para serviço contínuo e não para pico de cisalhamento.

Misturador de entrada superior TOPA001DR para mistura a granel e suspensão Misturador de topo da série DR para mistura, suspensão e transferência de calor, com acionamento vertical, estrutura simples e compacta e opções de impulsor/vedação para tarefas de fluxo contínuo. Ver Produto →

Combinando a cabeça de trabalho com a viscosidade e os sólidos

A viscosidade decide quais famílias de misturadores estão disponíveis, pois controla se o produto fresco pode fluir para a zona de cisalhamento. Numa cabeça rotor-estator a folga é fixa e estreita; se o produto não escorrer para dentro dele, o cabeçote simplesmente gira em uma cavidade de sua própria fabricação.

• Abaixo de aproximadamente 5.000 cP, hélices, turbinas de pás inclinadas e rotores-estatores em linha funcionam, e em linha geralmente é o mais eficiente em termos energéticos porque uma bomba alimenta a zona de cisalhamento em vez de depender do fluxo em massa.
• Entre 5.000 e 50.000 cP, discos dispersores e cabeçotes multiestágios entram em ação. Confirme se o produto pode ser bombeado se você planejar um circuito em linha e observe a corrente do motor durante a partida em um lote estabelecido.
• Acima de 50.000 cP, as geometrias de estrutura, âncora com raspador, fita e planetária assumem o controle. O cisalhamento mecânico não é mais o fator limitante – a transferência de calor através de um filme quase estagnado é, e é isso que os raspadores e as fitas abordam.

Os sólidos adicionam uma segunda restrição. Os pós coesivos devem ser umedecidos antes de serem dispersos, e um disco dispersor puxa deliberadamente um vórtice na superfície para que o pó seja arrastado para o líquido em vez de flutuar. A cabeça do rotor-estator quebra os aglomerados de maneira muito eficaz quando eles são umedecidos, mas não consegue molhar uma porção flutuante de pigmento. Para essa primeira etapa, dispersores de alta velocidade como a série FS1 são a resposta usual, com a cabeça rotor-estator trazida posteriormente para dispersão fina.

Dispersor de alta velocidade série TOPA005 FS1 para umedecimento de pó Dispersor de entrada superior da série FS1 para umedecimento de pós coesivos antes da dispersão fina, com impulsor de alta velocidade, acionamento compacto e múltiplas opções de vedação para tarefas de mistura. Ver Produto →

Em linha ou em lote: escolha pelo calor, não pela conveniência

Uma cabeça de alto cisalhamento concentra sua energia em um pequeno volume, e essa energia acaba como calor. Em um arranjo em lote, todo o lote passa repetidamente pela zona quente, de modo que uma receita sensível à temperatura pode ser danificada muito antes de o alvo de dispersão ser alcançado.

Um loop embutido altera essa aritmética. Como apenas um pequeno volume fica na zona de cisalhamento a qualquer momento, o calor pode ser removido entre as passagens através de um recipiente encamisado ou de um trocador de placas, e o circuito pode funcionar pelo tempo que a receita precisar, sem cozinhar o produto. As unidades em linha também são limpas no local com mais facilidade e são mais simples de instrumentar para produção contínua.

A compensação é a flexibilidade. Uma cabeça de lote pode ser levantada, limpa e reutilizada para uma receita diferente em minutos; um skid em linha está comprometido com uma vazão e uma família de produtos. Unidades rotor-estator em linha, como o homogeneizador da série ZJH, são construídas em torno da ideia de recirculação – uma pequena câmara de cisalhamento, uma bomba e um circuito, para que o controle de temperatura permaneça com o tanque e não com o misturador.

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O que especificar antes de comprar

1. Tamanho alvo da gota ou partícula, além do método de medição que você aceitará. "Fino" e "bem misturado" não são especificações, e um resultado de difração de laser não é a mesma evidência que uma imagem de microscópio.
2. Viscosidade à temperatura do processo, não à temperatura ambiente. Um produto que lê 200 cP quando frio pode se comportar de maneira muito diferente a 70 °C, e a folga do cabeçote deve ser adequada a ambos.
3. Faixa de tamanho de lote e turndown. Se uma máquina precisar lidar com 20% do lote nominal, a zona de cisalhamento poderá não permanecer submersa e o motor poderá ficar muito superdimensionado.
4. Faixa de velocidade de ponta, comportamento de acionamento e inicialização. O controle de frequência variável é normal em cabeçotes de alto cisalhamento e um limite de torque protege o eixo quando um lote assentado é iniciado.
5. Materiais molhados e estratégia de vedação. Sólidos abrasivos, química CIP agressiva e serviço de vácuo impulsionam a decisão da vedação do eixo, e uma vedação mecânica em um tanque de equilíbrio de pressão ou tanque de sifão é um requisito de serviço muito diferente de uma simples vedação de lábio.
6. Um teste piloto em seu próprio produto. A geometria da cabeça, o intervalo e o padrão das ranhuras do estator interagem com a reologia de maneiras que são difíceis de prever apenas a partir de folhas de dados.

Se você quiser se aprofundar na geometria da cabeça de trabalho e em como o projeto do estator altera o tamanho das gotas, a visão geral do próprio site sobre projeto de emulsificante de alto cisalhamento cobre os detalhes práticos.

Perguntas frequentes sobre misturadores de alto cisalhamento

A regra que sobrevive ao contato com projetos reais é simples: decida qual operação unitária você está comprando – fluxo, dispersão ou emulsificação – e compre uma máquina que seja boa nisso. Problemas de mixagem raramente ficam resolvidos quando um único workhead é solicitado a se destacar em todos os três.