大規模なチャージでは、短い混合時間と高い混合品質は、最大回転数や高い比出力だけでは生まれません。決め手となるのは、容器形状、混合工具、充填率、製品特性、投入戦略、排出が互いに調和し、混合容積全体が繰り返し、制御された形で、できる限り製品に配慮しながら循環させられることです。最終的な設計は、オリジナル製品を用い、現実的なチャージ条件のもとで裏付けなければなりません。とりわけ10から100 m³の範囲では、製品の流れ、計量、排出のわずかな逸脱が、均一性と処理量に大きな影響を及ぼすことがあるためです。

容器と充填率

容器の形状は、三次元的な製品運動を可能にし、デッドゾーンを最小化しなければなりません。高さと直径の比率、底部の形状、遷移半径、内部構造物、壁面との間隔、排出口の位置は、すべての領域から製品がどれだけ速く活発な混合ゾーンに到達するかに影響します。固体ミキサーにおいて、アスペクト比の普遍的な目標値というものは存在せず、それは混合原理に依存します。円筒形の縦型ミキサー、コーンミキサー、二軸ミキサー、水平プラウシェアミキサーは、それぞれ望ましい製品の流れを作り出すために異なる形状を必要とします。

充填率もまた普遍的な値ではありません。多くの自由落下型・水平型の固体ミキサーは、製品の層入れ替えのために自由な空間が必要であるため、部分的に充填された容器で運転されます。おおまかな目安としては、容器容積の約40から70パーセントがよく用いられます。過充填になると自由な循環が減少し、混合時間が延びます。他のミキサー機種形式は、工具形状と製品によっては、かなり低い、あるいは高い充填率でも意味のある運転が可能です。決め手となるのは、許容範囲が具体的なレシピについて混合試験によって証明されることです。

大規模なチャージでは、チャージの質量は容積と同じくらい重要です。かさ密度0.2 t/m³の場合と1.2 t/m³の場合とでは、50 m³のミキサーに求められる駆動・排出設計はまったく異なります。したがって設計は、有効容積、最大質量、かさ密度の範囲、壁面荷重、起動トルク、製品の圧密、そして実際に想定されるチャージのばらつきを考慮しなければなりません。

工具と運動形態

大規模なチャージにおいて短い混合時間を実現するには、対流的な循環が多くの場合最も重要なメカニズムです。混合工具は、製品を局所的に動かすだけでなく、端部、底部、上部、中心部の領域を、繰り返される三次元的な入れ替えに組み込まなければなりません。課題に応じて、らせん型、スクリューリボン型、パドル型、プラウシェア型、ベルト型、多軸型の工具が検討されます。選択は、凝集性、粒度分布、かさ密度、水分、摩耗性、敏感性、そして必要な脱凝集の程度によって決まります。

工具の形状、数、混合ゾーンの重なり、そして容器壁との間隔が、容積全体の循環時間を左右します。壁面との隙間が大きすぎると、混合が不十分な周縁領域や製品の付着が生じることがあります。逆に隙間が小さすぎると、摩耗、粒子の破損、発熱、そして許容できないほど高い起動トルクのリスクが高まります。したがって摩耗性のある製品や繊細な製品では、技術的に適切な間隔は常に、混合作用、摩耗、製品への配慮の間の妥協点となります。

回転数と周速は、偏析、遠心分離、過度なせん断を助長することなく、望ましい製品運動が生まれるように選ばなければなりません。回転式の自由落下システムでは、フルード数が有用な指標です。これは慣性力と重力の比を表します：Fr=ω²R/g。フルード数が増加するにつれて、運動形態はローリングやカスケーディングから、カタラクティングや遠心分離へと変化します。しかし、Fr≈1のような単純な目標値は、大容量の固体ミキサーには一般的には推奨できません。多くの回転システムでは、すでにFr=1で遠心分離が始まっており、穏やかな自由落下混合には、通常それよりかなり低い値が用いられます。

比投入エネルギーP/Vは有用な比較値ですが、単独では十分なスケールアップ基準にはなりません。同じ出力密度が、自動的に同一の製品経路、滞留時間、混合品質を保証するわけではありません。液体系やペースト系では、レイノルズ数とニュートン数が設計を補完します。レイノルズ数は慣性力と粘性力の比を特徴づけ、ニュートン数は工具、回転数、密度、流動状態に応じた消費電力を表します。一方、乾燥粉体では、凝集性、壁面摩擦、フローファンクション、粒子の運動、空気含有量、偏析傾向のほうが、古典的な流体力学的指標よりも重要であることが多いです。

レシピと計量

各成分の特性が、混合課題の難易度を左右します。粒度、粒形、かさ密度の大きな違いは、偏析のリスクを高めます。微粒子は粗い粒子の間をパーコレーションで通り抜けることがあり、密度の高い粒子は、特定の条件下では堆積物の中でより下方へ移動する傾向があります。広い粒度分布、そして密度の違いや落下高さと容器直径の比率は、投入時および排出時の偏析を強めることがあります。

凝集性のある粉体では、偏析の傾向はしばしば小さくなる一方、凝集体、ブリッジ、不均一な濡れが生じることがあります。その場合、より強力な対流的な入れ替え、あるいは局所的に限定した脱凝集が必要になることがあります。逆に、非常に流動性の良い粉体では、偏析の回避が前面に出ることが多くなります。適したレシピでは、狙いを定めた液体添加によって微粒子をより粗い担体粒子に結合させることができます。局所的な過湿潤、望ましくない凝集体、あるいは流動性の悪化を避けるため、これは慎重に計量しなければなりません。

投入地点と投入順序は、大規模なチャージではとりわけ重要です。微量成分、有効成分、顔料、添加剤は、流れの少ない周縁部に落ちるのではなく、活発な混合ゾーンに投入すべきです。非常に低い配合率では、幾何学的な予備混合が必要になることがあります。投入時間と開始時刻は、ミキサーの循環時間に合わせなければなりません。局所的に限られた領域への非常に速い投入は、濃度のピークを生じさせることがあり、これは混合時間を延ばしても必ずしも確実には解消されません。

排出とスケールアップ

高い混合品質は、排出時とその後の搬送の際にも保たれて初めて、プロセス上の意味を持ちます。排出は、優先的にマスフローが生じるように設計すべきです。マスフローでは、材料が容器断面全体にわたって排出口方向へ動きます。これにより、チャンネルフローやパイプフローに比べて偏析を抑えられます。したがって、マスフロー向けに設計されたホッパー形状、十分に大きな排出口断面、適切な壁面傾斜、そして調和のとれた排出機構が、中心的な設計要素となります。

落下高さ、移送地点、コンベヤベルト、空気搬送配管、貯留容器も考慮しなければなりません。大きな自由落下距離は、軌道分離や粒度による分級を引き起こすことがあります。振動、気流、繰り返しの移し替えは、ミキサー内で達成された均一性を再び悪化させることがあります。したがって重要なレシピでは、排出中および最後の重要なプロセス地点で、時間を追ったサンプル採取が必要です。

スケールアップは、単一の指標に頼ってはなりません。幾何学的相似、フルード数、周速、比投入エネルギー、工具回転数、循環時間は、混合原理に応じて有用な比較指標となり得ます。しかしこれらは異なる目的を追求することがあり、常に同時に一定に保てるとは限りません。したがって、特に固体では、CFDやDEMといったモデリングと、代表的な混合試験を組み合わせることが有効です。シミュレーションは、重要なゾーン、製品経路、潜在的な偏析メカニズムを可視化できますが、実製品の測定データによって検証する必要があります。