Mieszalnik kulowy

Mieszalniki kulowe to urządzenia służące do homogenizacji lub mieszania suchych, wilgotnych lub mokrych proszków. Mogą one również mieszać ciecze. Zazwyczaj są one stosowane do mieszania partii. Wnętrze kuli tworzy tzw. komorę mieszania. W niej obraca się narzędzie mieszające, które trójwymiarowo przemieszcza mieszankę. Ten proces przepływu zapewnia bardzo wysoką wydajność mieszania, jeśli oś obrotu narzędzia mieszającego nie jest ustawiona ani poziomo, ani pionowo. Najlepszy efekt mieszania uzyskuje się przy ustawieniu ukośnym. Mieszalniki kulowe mogą być również stosowane jako reaktory syntezujące lub próżniowe suszarki mieszające. W tym przypadku kula ma podwójne ścianki. Podwójna powłoka jest przepływana przez medium przenoszące ciepło. W ten sposób następuje wymiana substancji i ciepła.

Mieszalniki kulowe są wyposażone w co najmniej jedno obrotowe narzędzie mieszające. Gwarantuje to całkowite wymieszanie całej partii. Opcjonalnie można przewidzieć dodatkowe narzędzia mieszające. Zazwyczaj są to szybko obracające się narzędzia rozdrabniające lub nożowe. Mają one mniejszy średnicę roboczą i powodują dezagregację podczas procesu mieszania. Powodują one efekt tarcia i uderzenia. W ten sposób rozbijane są grudki i aglomeraty.

Są one również bardzo skuteczne, gdy proszek ma być zwilżony lub otoczony powłoką lub gdy jest to wymagane dla wszystkich cząstek. Ich moc wejściowa jest w przybliżeniu równa 3,5-krotnej potencji częstotliwości obrotowej.

Producenci mieszalników kulowych wprowadzili na rynek różne konstrukcje. Niektórzy producenci umieszczają wał mieszający ukośnie nad kulą, inni ukośnie pod nią. Inni z kolei umieszczają wał mieszający ukośnie poniżej kuli. Jeszcze inni umieszczają wał mieszający ukośnie powyżej, a dodatkowe narzędzie dezagregujące ukośnie poniżej. Niektórzy producenci umieszczają zarówno główne narzędzie mieszające, jak i narzędzie dezagregujące powyżej kuli.

Główne narzędzia mieszające w mieszalnikach kulowych

Producenci mieszarek kulowych stosują różne geometrie narzędzi. Niektórzy zaprojektowali główne narzędzie mieszające jako zakrzywiony kotwicę. Inni stosują spiralne śruby. Jeszcze inni stosują narzędzia łopatkowe. Decydujące znaczenie ma to, aby narzędzia mieszające obracające się w kuli miały zawsze tę samą odległość od ścianki kuli, niezależnie od ich położenia. Odległość ta musi być zachowana również podczas mieszania ciężkich lub przylegających materiałów. W związku z tym narzędzia mieszające muszą być wykonane w sposób zapewniający szczególną stabilność kształtu.

Napełnianie mieszanką

Składniki przeznaczone do mieszania są wprowadzane do komory mieszania od góry. W tym celu wymagany jest co najmniej jeden króciec wlewowy. Niektóre mieszarki kulowe mają również kilka otworów wlewowych. Armatura odcinająca może być wykonana jako klapa obrotowa, zasuwka płaska lub zasuwka kulkowa. W przeciwieństwie do armatury opróżniającej, armatura napełniająca nie musi pracować bez martwej przestrzeni. Na górnej stronie kuli znajduje się również króciec odpowietrzający.

Opróżnianie mieszanki

W dolnej części kulistej komory mieszającej znajduje się armatura odcinająca. W stanie zamkniętym powinna ona mieć kształt wycięcia kulistego. Tylko taka konstrukcja jest pozbawiona martwej przestrzeni. Oznacza to, że każda część objętości w kuli jest mieszana – również bezpośrednio nad armaturą odcinającą.

Czyszczenie i kontrola komory mieszającej

Niektóre mieszalniki kulowe mają dwie półkule, które można otworzyć w celu kontroli. Inni producenci montują w komorze mieszania okrągłe lub owalne drzwiczki kontrolne. One również muszą być pozbawione martwej przestrzeni. Szczególnie sprawdziła się konstrukcja OmgaSeal^®. W celu czyszczenia na mokro w komorze mieszania montuje się obrotowe dysze do mycia zbiornika. Istnieją również konstrukcje, w których urządzenia do czyszczenia na mokro pozostają na stałe w mieszalniku.

Pytanie: Jakie zalety ma kula jako zbiornik mieszający?

Objętość kuli o promieniu r można obliczyć według następującego wzoru:

V = 4/3 ⋅ r³ ⋅ π

Powierzchnię kuli o promieniu r można obliczyć według następującego wzoru:

O = 4 ⋅ r² ⋅ π

Porównując różne ciała o symetrii obrotowej, można stwierdzić, że kula ma najmniejszą powierzchnię właściwą. Sugeruje to, że kulista komora mieszająca jest łatwiejsza do czyszczenia niż komora cylindryczna lub stożkowa. Z drugiej strony można założyć, że stożkowa komora mieszania lepiej usuwa pozostałości proszkowych mieszanek niż kula. Producenci dążą do tego, aby ich mieszanki były jak najmniej zanieczyszczone. Coraz ważniejszą rolę odgrywa przy tym całkowite opróżnianie instalacji mieszającej.

Jeśli mieszalnik kulowy jest wypełniony wodą i chcemy obliczyć objętość wody w zależności od poziomu napełnienia, należy zastosować następujący wzór przybliżony:

V(𝑧) = π ⋅ z²⋅ (3 ⋅ r – 𝑧) /3

V: objętość wody

z: poziom napełnienia

r: promień wewnętrzny kuli

Ponieważ nie uwzględniono obecności narzędzia mieszającego, wzór podaje jedynie wartość przybliżoną. Rzeczywista objętość wody jest nieco mniejsza.

Czyszczenie i kontrola narzędzia mieszającego

Szczególnie ważnym aspektem jest czyszczenie dynamicznie poruszającego się narzędzia mieszającego. Ta część mieszalnika kulowego jest znacznie bardziej złożona niż komora mieszania. W związku z tym obowiązują tu szczególne wymagania. Jego kształt musi spełniać wymagania aerodynamiczne łopatki mieszającej. Ponadto musi spełniać wymagania higieniczne EHEDG.

Narzędzie mieszające musi mieć prostą geometrię.

• Narzędzie mieszające musi sprzyjać przepływowi mieszanych materiałów i zapobiegać efektom zagęszczania.
• Dotyczy to zarówno drobnoziarnistych proszków, jak i materiałów sypkich w postaci płatków lub aglomeratów.
• Dotyczy to również materiałów suchych, fluidyzowalnych, jak i wilgotnych, trudno płynnych proszków.
• Narzędzie mieszające musi mieć jak najmniejszy powierzchnię.
• Musi być skonstruowane w taki sposób, aby wszystkie obszary były łatwo dostępne i ergonomiczne.

Dla każdej kategorii zadań mieszania można znaleźć optymalny typ mieszalnika. W tym celu zalecamy wizytę w firmie amixon^®, gdzie można wypróbować dostępne mieszalniki próbne (cylindryczne, kuliste, stożkowe, cykloidalne).

• amixon^® oferuje Państwu najwyższej klasy możliwości mieszania, nawilżania, suszenia i rozładunku najróżniejszych mieszanek.
• amixon^® zaleca, aby oprócz prób mieszania przeprowadzić również czyszczenie mieszalnika po zakończeniu próby.

W zależności od rodzaju mieszanki i branży należy stosować odpowiednie procedury czyszczenia. Dotyczy to:

1. czyszczenia na sucho
2. czyszczenia wilgotnymi ściereczkami
3. ręczne czyszczenie na mokro
4. ręczne czyszczenie na mokro
5. automatyczne czyszczenie na mokro.

Rodzaje czyszczenia (2) do (5) obejmują również ważną kwestię osuszania resztek wody.

W zakładach mieszających często stosuje się naprzemiennie 2 lub 3 procedury czyszczenia. W zależności od stopnia zabrudzenia i tolerancji zanieczyszczeń

Chłodzenie po czyszczeniu na mokro ciepłą wodą

Klienci z branży spożywczej często chcą, aby automatyczne czyszczenie na mokro odbywało się wyłącznie gorącą wodą. Chcą oni zrezygnować z wszelkiego rodzaju środków powierzchniowo czynnych. Jest to możliwe, jeśli temperatura wody myjącej zostanie podwyższona, a ciśnienie strumienia (przepływ objętościowy i ciśnienie) zostanie odpowiednio dostosowane. Po czyszczeniu mieszalnik musi jak najszybciej wyschnąć. Im cieplejsza jest woda czyszcząca, tym szybciej to następuje.

Z reguły po czyszczeniu należy kontynuować mieszanie. Jest to jednak możliwe dopiero po ostygnięciu mieszalnika. Ze względu na kulistą konstrukcję chłodzenie trwa nieco dłużej niż w przypadku innych typów mieszalników. Ciepło z kulistych elementów jest oddawane w postaci promieniowania cieplnego Q˙. Można je w przybliżeniu obliczyć za pomocą prawa Stefana-Boltzmanna.

Q˙ = ε ⋅ σ ⋅ A ⋅ (T_s⁴ − T_u⁴)

Q˙: promieniowana moc cieplna w watach [W]

ε: współczynnik emisyjności powierzchni (bezwymiarowy, między 0 a 1)

σ: stała Stefana-Boltzmanna = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m² K⁴)

A: powierzchnia zewnętrzna kuli w metrach kwadratowych [m²]

T_s: temperatura bezwzględna powierzchni kuli w kelwinach [K]

T_u: temperatura bezwzględna otoczenia w kelwinach [K]

Oszacowanie szybkości ochładzania pustej kuli

Średnica kuli: 1000 mm

Materiał: stal szlachetna 1.4404 (austenityczna, V4A), zewnętrzna i wewnętrzna powierzchnia szlifowana na połysk

Grubość ścianki: 15 mm

Emisja powierzchniowa: 0,25

Temperatura początkowa: 70 °C

Temperatura otoczenia: 15 °C

Ochłodzenie do temperatury docelowej: 25 °C.

Należy uwzględnić dwa mechanizmy wymiany ciepła: promieniowanie cieplne i konwekcję powietrza. Łączna moc chłodnicza wynosi ok. 2 kW. Czas chłodzenia wynosi 4 do 5 godzin. Ponieważ względna różnica temperatur staje się coraz mniejsza, krzywa chłodzenia przebiega asymptotycznie. Zjawisko to można dobrze przedstawić za pomocą następującej funkcji wykładniczej:

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

T: przebieg temperatury

t: czas

T_amb: temperatura otoczenia

T_start: temperatura początkowa

k: współczynnik chłodzenia, około 8,59 × 10⁻⁵ 1/s

Narzędzie mieszające w pustej kuli również jest ogrzewane przez wodę myjącą. Może ono szybko ostygnąć tylko po otwarciu komory mieszania. Wydostająca się para wodna może mieć negatywny wpływ na środowisko produkcyjne, jeśli klimatyzacja nie odprowadza wilgoci wystarczająco szybko. W związku z tym sensowne może być celowe odprowadzanie pary wodnej za pomocą suchego świeżego powietrza.

Dodawanie i rozprowadzanie cieczy w mieszalniku kulowym

W praktyce oprócz mieszania różnych proszków ważne jest również ich równomierne zwilżenie. Tak zwane lance do dodawania cieczy kończą się w obszarze działania szybko obracającego się narzędzia mielącego. W ten sposób szybko uzyskuje się produkt końcowy bez aglomeratów i o jednorodnej strukturze.

Na ten temat firma amixon opublikowała wiele wpisów na blogu. Chodzi tu o napięcie powierzchniowe cieczy i ich właściwości reologiczne przy zmiennych temperaturach i oddziaływaniu sił ścinających. Ponadto ważną rolę odgrywa również porowatość materiałów sypkich. Równie ważne są cechy granicy faz między ciałami stałymi a cieczami, takie jak hydrofobia i hydrofilia.

Uwaga dotycząca nazwy „mieszalnik kulowy”.

Właściwszym określeniem niż „mieszalnik kulowy” byłoby „mieszalnik z kulami pustymi w środku i dynamicznie poruszającymi się narzędziami mieszającymi”.

Określenie „mieszalnik kulowy” jest również używane w branży sanitarnej. Chodzi tu o zmodyfikowaną armaturę kranową. Kula z wieloma otworami jest połączona z dźwignią i może mieszać i regulować dopływ zimnej i ciepłej wody.