Para atender às demandas comerciais, ambientais e legislativas do mercado de hoje, fabricantes devem abraçar formas novas e mais eficientes de trabalhar. A automação, tanto da análise quanto do controle, é tema recorrente.
Este documento INFORM, um de uma série que explora diferentes técnicas de caracterização de materiais, examina o potencial da análise de tamanho de partículas online neste contexto.
Justificar um investimento em instrumentação analítica online depende de se ter confiança na tecnologia e de se ser capaz de fazer uma estimativa confiável dos ganhos potenciais. Com analisadores de tamanho de partículas online baseados em difração laser, usuários relatam rotineiramente tempos de retorno de seis meses a um ano. A vantagem econômica deriva de muitas fontes: redução do desperdício, mão de obra, energia, material, capacidade de planta; produtos de melhor qualidade; controle automatizado; e desenvolvimento e otimização de processos mais rápidos. Os detalhes da justificativa são únicos para cada planta, mas os temas são bem compreendidos e comuns a todos. O banco de dados de estudos de caso que demonstram benefícios em todos os setores da indústria cresce a cada ano. Serviços de consultoria que oferecem tecnologias móveis de dimensionamento de partículas facilitam o entendimento do potencial existente para cada planta.
Os riscos associados a investir na análise do tamanho de partículas online são baixos. No laboratório, a medição do tamanho de partículas por difração laser foi simplificada ao longo de várias décadas a ponto de se tornar uma operação de 'botoeira'. A base de conhecimento resultante suporta sistemas de processos disponíveis no mercado que trazem a mesma simplicidade ao ambiente de produção. Resistentes e robustos, estes instrumentos de fácil instalação são projetados para serem confiáveis, consistentes, operando em regime 24/7 com o mínimo de manutenção. O desempenho é comprovado em aplicações que vão de pastas concentradas úmidas e pegajosas a emulsões líquidas e até fluxos de particulados secos de concentração variável.
A utilização da análise do tamanho de partículas online para reduzir o consumo de energia é generalizado, especialmente em operações de moagens.
A moagem consome muita energia, com o consumo de energia aumentando exponencialmente à medida que diminui o tamanho das partículas-alvo. Em muitos setores da indústria - cimento, minerais e toners, por exemplo - partículas mais finas são associadas a um produto premium. Consequentemente, o resultado da sub-moagem é frequentement a reprovação em CQ, enquanto a penalidade pelo excesso de moagem é o consumo excessivo de energia, menos grave. Em plantas mal controladas, o excesso de moagem pode ser aceito como o custo a ser pago por cumprir com a especificação do produto de forma consistente.
A análise do tamanho de partículas em tempo real requer um controle maior do moinho, quer tal controle seja manual ou automatizado: o impacto das decisões operacionais é visto instantaneamente e, assim, tornam-se bem mais eficazes. O processo estabiliza e a confiança operacional cresce de modo que não é mais necessária uma grande margem de segurança e buscar uma especificação excessivamente fina. Moer apenas até o ponto definido que resulte no desempenho de produto minimiza o consumo de energia.
O controle automatizado, tendência em todos os setores de fabricação, exige um fluxo de dados apropriado. Para muitos produtos particulados, de produtos farmacêuticos a pós metálicos, o tamanho da partícula é um parâmetro utilizado para definir o desempenho. Para tais produtos, o controle automatizado e em tempo real baseado na medição do tamanho das partículas é um passo lógico.
Difração laser é um método analítico rápido. Sistemas online e em linha podem medir até quatro distribuições completas de tamanhos de partículas por segundo e, assim, conseguem rastrear até mesmo processos de dinâmica rápida.
Igualmente importante é o fato que novos softwares estão sendo disponibilizados, o que facilita a integração de muitos analisadores de forma a permitir o controle multivariado de processos. Softwares mais recentes operam no padrão OPC, o que simplifica a criação de uma plataforma comum para Integrar diferentes Dispositivos Analíticos, simplificando a implementação de estratégias de controle baseadas nas medidas de tamanho das partículas e, por exemplo, a sua composição. Esta abordagem permite que a equipe operacional utilize todas as informações disponíveis.
A solução de problemas é um trabalho de investigação, e seu êxito depende, em certa medida, da qualidade das pistas. Comparar a medição feita em tempo real com a análise periódica off-line é como comparar vídeos a fotos. Com a medição contínua do tamanho de partículas, é possível ver o resultado de cada ação, intencional ou não, à medida que ela acontece - ou se de fato aconteceu. Isso é muito valioso quando se faz o rastreamento da causa raiz de um problema e durante a avaliação de possíveis soluções.
Levar a planta a um ponto de operação ideal requer controlar os parâmetros que influenciam o desempenho do produto. O desafio permanente da fabricação é cumprir com as metas de qualidade do produto dentro da restrição de minimizar os custos de produção. Para muitos produtos particulados/sólidos, o tamanho da partícula tem grande influencia no desempenho, e é essencial desenvolver um entendimento detalhado de quais parâmetros afetam o tamanho e de que maneira.
Utilizando a análise off-line, esse aprendizado pode ser demorado. Feita a mudança de um parâmetro, são coletadas várias amostras e então analisadas, o impacto da mudança fica claro, desde que todas as outras variáveis tenham sido mantidas constantes. Em contraste com isso, quando a medição for em tempo real estiver, a velocidade na qual novas situações operacionais são avaliadas é limitada apenas pelo tempo necessário para se atingir um novo estado estável. As alterações podem ser avaliadas em minutos em vez de horas, e as correlações entre causa e efeito tornam-se claras e quantificáveis. Este conhecimento acelera a otimização e permite uma resposta mais inteligente às mudanças imprevistas, como uma variação no desempenho de um processo anterior.
O ganho de conhecimento é uma função primordial para o desenvolvimento do processo, de modo que também nesse caso a análise online pode exercer um importante papel. Em comparação com operações em escala, plantas-piloto tendem a ter um papel operacional mais amplo para poder cumprir a missão de explorar por completo as possíveis estratégias de operação e encontrar o melhor caminho a seguir. Executá-los é caro.
Navegar de forma eficiente em todas as etapas de projeto maximiza a produtividade experimental. Medição em tempo real acelera e melhora o processo de aquisição de conhecimento, economizando tempo e dinheiro. Além disso, detectar e resolver problemas de processamento de forma eficaz e na fase inicial, em última análise reduz o tempo e os custos de comercialização. Permite o desenvolvimento rápido de melhores processos.
O tempo gasto fabricando produtos fora de especificação é tempo perdido. Operação nos momentos de transição podem representar um problema especial, porque é nestes momentos que fica mais difícil controlar bem a planta. Se cada partida do processo ou mudança de produto levar mais tempo do que o necessário, o rendimento global fica comprometido. Para linhas multi-produtos isto pode representar perdas importantes.
Durante a partida ou troca de produtos, o objetivo é alcançar o novo ponto de operação tão rápido quanto a dinâmica da planta permitir. Com a análise on-line em funcionamento, é possível ver o progresso feito no sentido de alcançar esse objetivo em tempo real e tomar medidas adequadas de controle rapidamente. As chances de sair da especificação são reduzidas, além de que não é preciso esperar por dados de laboratório para estar seguro de que o produto está dentro das especificações e transferir para silo correto.
O primeiro passo para corrigir uma alteração na planta é detectar que ela aconteceu. Com a medição do tamanho de partículas em tempo real isto ocorre instantaneamente e, sempre que necessário, existe a possibilidade de acionar um alarme de processo para alertar o operador. Além disso, a rapidez e o tamanho da mudança a partir do ponto de ajuste podem ajudar a diagnosticar o problema.
Isto está em nítido contraste com uma situação típica que ocorre com a análise off-line periódica em que a amostragem só é feita a cada hora e leva 30 minutos para que os resultados retornem. Neste caso, no pior cenário, uma alteração pode passar despercebida por mais de uma hora. Quando o tempo decorrido for longo o suficiente para contaminar o lote ou um silo de produto, o efeito na produção e o desperdício são significativos.
Existem dois aspectos fundamentais no que diz respeito à qualidade do produto. Um deles é a definição das especificações de forma a proporcionar o desempenho ideal; o outro é alcançá-lo de forma consistente. A análise do tamanho de partícula online pode resolver ambas essas questões.
Técnicas de dimensionamento de partículas convencionais muitas vezes não conseguem fazer grande diferenciação entre as amostras. O motivo disto é que são manuais e estão sujeitos à variabilidade do operador, por exemplo, ou talvez gerem um número médio único para a amostra. A indústria do cimento é um excelente exemplo deste problema. Neste caso, a medição Blaine, uma técnica de área superficial específica e em grande parte manual, é a escolha tradicional para a especificação/CQ do produto. O Blaine fornece uma indicação aceitável do desempenho do produto, mas pode não diferenciar amostras que tem diferentes distribuições de tamanho de partícula e que, fundamentalmente, teriam desempenhos distintos em campo.
Ao utilizar a análise de tamanho de partículas por difração laser, os líderes do setor de cimento descobriram que podem controlar os indicadores de desempenho, como resistência inicial, com mais precisão controlando assim a proporção de material em diferentes frações. Para este setor, a difração laser promove o desenvolvimento de pontos de ajuste para fabricação que refletem com mais precisão o desempenho do produto e, consequentemente, a técnica está substituindo Blaine rapidamente.
Para qualquer produto, uma vez que a especificação ótima tenha sido determinada, o cliente quer manter a especificação de forma consistente. Em muitos setores, as especificações dos tamanhos das partículas estão ficando cada vez mais finas e alcançar o status de produto premium também pode exigir um controle rígido da distribuição dos tamanhos de partículas. Frequentemente, só é possível alcançar essas especificações com êxito e com boa relação custo/benefício utilizando o rígido controle que o monitoramento de processo em tempo real oferece.
A medição online elimina, simultaneamente, as questões de saúde e segurança que cercam a análise manual e reduz a probabilidade de dados errôneos.
A extração e preparação de amostras representam um risco potencialmente importante para a saúde e segurança, especialmente quando os materiais de processo são altamente voláteis e/ou tóxicos. Com um sistema online totalmente automatizado esse risco é eliminado. A segurança é melhorada e o operador fica liberado para atividades mais produtivas. Em muitos casos, esta redução dos custos de mão de obra já basta para justificar o investimento em um sistema online, mesmo sem quantificar outros ganhos econômicos e os benefícios de uma maior segurança.
Além disso, os dados analíticos fornecidos por um analisador de difração laser online devem ter integridade significativamente superior à dos dados obtidos a partir de um sistema off-line, reduzindo assim, o risco de ações incorretas de controle. Isso ocorre porque sistemas online:
Ao eliminar a necessidade de uma intervenção manual em todo o processo de análise, e ao aumentar drasticamente a frequência de medição, a análise online automatizada proporciona o fluxo de dados mais confiável para o controle eficiente de processos.
