Jakie błędy są często popełniane przy stopniu napełnienia mieszalnika?
Stopień napełnienia jest często traktowany jako stały parametr maszyny, choć w rzeczywistości jest kluczowym parametrem procesowym. Zbyt mało lub zbyt dużo produktu w mieszalniku może wyraźnie wpływać na jakość mieszania, czas mieszania, integralność cząstek, segregację, rozprowadzenie cieczy, opróżnianie i nakład na czyszczenie. Odpowiedni stopień napełnienia musi być zatem ustalany wspólnie dla produktu, geometrii mieszalnika, narzędzia, obrotów i celu procesu.
Zbyt silne przepełnienie
Powszechnym błędem jest napełnianie mieszalnika niemal do jego całkowitej objętości geometrycznej, aby zwiększyć wydajność wsadu lub skrócić czas cyklu. Brakuje przez to często niezbędnej wolnej przestrzeni dla ruchu produktu. Mieszany materiał nie może się wystarczająco rozprężyć, przemieszczać ani cyrkulować. Skutkiem są dłuższe czasy mieszania, słabo poruszane obszary, wahająca się jednorodność, a w skrajnym przypadku lokalne zagęszczenie lub przeciążenie napędu.
Przy wrażliwych produktach przepełnienie może dodatkowo zwiększać nacisk na dolne warstwy produktu. Płatki, aglomeraty, granulaty i inne składniki podatne na łamanie mogą przez to silniej się ścierać lub łamać. Przy recepturach lepkich, wilgotnych lub tłustych przepełnienie może ponadto sprzyjać narostom i nierównomiernemu rozprowadzeniu cieczy. Wyższe poziomy napełnienia mogą wydłużać czas mieszania; jednocześnie stopień napełnienia i wzorzec załadunku wpływają na ryzyko segregacji.
Zbyt niskie napełnienie
Zbyt niski stopień napełnienia jest często wybierany, ponieważ z pozoru daje dużą przestrzeń ruchu. Jeśli jednak wysokość napełnienia jest zbyt niska, narzędzia mieszające nie obejmują już całej objętości produktu. Mogą powstawać obszary poruszane tylko słabo, podczas gdy inne części produktu są przetwarzane wielokrotnie i stosunkowo intensywnie.
W mieszalnikach swobodnego spadku i bębnowych zbyt mało produktu może prowadzić do większych wysokości spadku i wyższej energii uderzenia. W mieszalnikach narzędziowych może dochodzić do zwiększonej prędkości względnej, ścierania, łamania cząstek lub tworzenia się pyłu. Szczególnie krytyczne jest to dla płatków zbożowych, kruchych granulatów, cząstek powlekanych i wrażliwych aglomeratów. Niedopełnienie może zmniejszać wydajność mieszania i zwiększać zmienność wsadów.
Stosowanie masy zamiast objętości
Częstym błędem planistycznym jest dobór wsadu wyłącznie w kilogramach. Stopień napełnienia jest jednak wielkością objętościową. Zmiany gęstości nasypowej, wilgotności, temperatury, udziału powietrza, uziarnienia lub receptury mogą sprawiać, że ta sama masa zajmuje wyraźnie inną objętość.
Szczególnie problematyczne jest to przy lekkich, obszernych produktach, takich jak płatki, proszki instant, włókna lub aglomerowane proszki. Wsad, który pod względem wagowym wydaje się prawidłowy, może w rzeczywistości przepełnić mieszalnik. Odwrotnie, ciężki produkt przy tej samej masie może wyraźnie nie osiągać wymaganego zakresu roboczego. Do ustalenia stopnia napełnienia należy zatem stosować rzeczywistą gęstość nasypową mieszaniny produktów w rzeczywistych warunkach procesowych.
Zmiana stopnia napełnienia w oderwaniu od innych parametrów
Stopień napełnienia bywa zmieniany bez dostosowania obrotów, czasu mieszania, konfiguracji narzędzia, profilu dozowania czy dodawania cieczy. Prowadzi to często do niewytłumaczalnych wahań. Wyższy stopień napełnienia wymaga, zależnie od zasady mieszania, dostosowanego czasu mieszania lub obrotów; niższe napełnienie może wymagać niższej prędkości narzędzia, aby ograniczyć łamanie i ścieranie.
Także dodawanie składników ciekłych musi być uzgodnione ze stopniem napełnienia. Przy wysokim napełnieniu osiągalna powierzchnia produktu w jednostce czasu jest mniejsza; mgła natryskowa nie dociera równie dobrze do wszystkich cząstek. Przy niskim napełnieniu ciecz może trafiać skoncentrowanie na nieliczne obszary lub przywierać do ściany i narzędzia. Stopień napełnienia, natężenie natrysku, wielkość kropli, geometrię dysz i ruch produktu należy zatem rozwijać jako wspólne okno procesowe.
Ignorowanie zakresu roboczego producenta
Każdy mieszalnik ma przewidziany zakres roboczy. Opiera się on na geometrii komory mieszania, kształcie narzędzia, głębokości montażu, organie wyładowczym i zasadzie mieszania. Stopień napełnienia poza tym zakresem może, nawet przy tym samym produkcie, prowadzić do stref martwych, niewystarczającego przemieszczania, wysokiego obciążenia mechanicznego lub niestabilnego opróżniania.
Zakres roboczy producenta jest sensownym punktem wyjścia, nie zastępuje jednak walidacji produktowej. Zoptymalizowany praktycznie stopień napełnienia może mieścić się w dopuszczalnym zakresie, ale rzadko daje się ogólnie przenieść na inny typ mieszalnika lub inną wielkość.
Pomijanie segregacji przed i po mieszaniu
Dobra próbka pobrana bezpośrednio z mieszalnika nie dowodzi, że produkt pozostanie jednorodny aż do napełniania opakowań. Segregacja może powstawać już przy załadunku wskutek różnych wysokości spadku, gęstości nasypowych, wielkości cząstek lub kolejności dodawania składników. Może ona wystąpić także przy opróżnianiu, w zsypach, przenośnikach, silosach oraz podczas pakowania.
Niekorzystny stopień napełnienia może wzmacniać te efekty, ponieważ zmienia się forma ruchu materiału sypkiego. Szczególnie przy mieszaninach z dużych i małych, lekkich i ciężkich lub różnie ukształtowanych składników istotna jest perkolacja: drobne ziarno może wędrować w dół przez przestrzenie między większymi cząstkami. Różnice w wielkości cząstek, gęstości, kształcie i kohezji są zasadniczymi czynnikami napędzającymi segregację.
Zbyt długie mieszanie w celu skompensowania błędów napełnienia
Częstą reakcją na złe próbki mieszaniny jest: „W takim razie będziemy mieszać dłużej”. Rzadko jednak może to w pełni skorygować niewłaściwy stopień napełnienia. Dłuższe czasy mieszania przy wrażliwych produktach prowadzą często do dodatkowego ścierania, łamania i pylenia. Przy mieszaninach zagrożonych segregacją nadmierne mieszanie może wręcz ponownie pogorszyć jednorodność.
Zamiast bezustannie wydłużać czas mieszania, należy zbadać, czy mieszalnik jest przepełniony lub niedopełniony, czy zmieniła się gęstość nasypowa, czy narzędzie obejmuje cały wsad oraz czy załadunek i opróżnianie powodują segregację produktu już przed lub po mieszaniu.
Brak prób z produktem oryginalnym
Największym błędem jest ustalanie stopnia napełnienia na podstawie wartości doświadczalnych, innej receptury lub wyłącznie na podstawie objętości nominalnej. Nawet porównywalne produkty mogą zachowywać się wyraźnie inaczej ze względu na gęstość nasypową, wilgotność, zawartość tłuszczu, kształt cząstek, wielkość ziarna lub zachowanie przepływowe.
Stopień napełnienia powinien być zatem systematycznie testowany z reprezentatywnym produktem oryginalnym. Sensowna jest seria prób z kilkoma stopniami napełnienia oraz dostosowanymi obrotami i czasem mieszania. Ocenie powinny podlegać jednorodność, czas mieszania, udział drobnych frakcji i frakcji łamanych, gęstość nasypowa, udział pyłu, rozprowadzenie cieczy, segregacja po wyładunku, opróżnianie resztkowe i czas cyklu. Stopień napełnienia wpływa zarówno na procesy mieszania, jak i segregacji, i dlatego powinien być traktowany jako krytyczny parametr procesowy.
W ten sposób amixon® pracuje przy zmiennych stopniach napełnienia w mieszalnikach pionowych
Przy wrażliwych płatkach zbożowych, produktach ekstrudowanych, klastrach i cząstkach powlekanych stopień napełnienia jest w wielu systemach mieszania krytycznym parametrem procesowym. W mieszalnikach pionowych amixon® jakość mieszania może natomiast zostać zachowana w szerokim zakresie stopnia napełnienia, o ile produkt, wykonanie narzędzia i parametry eksploatacyjne pasują do zadania. Pionowa wężownica mieszająca SinConvex® wytwarza trójwymiarowy ruch produktu: transportuje mieszany materiał w górę w obszarze przyściennym; w centrum produkt spływa z powrotem w dół pod wpływem grawitacji.
Cyrkulacja podąża za objętością produktu
Wydajność transportową pionowej wężownicy mieszającej można w przybliżeniu opisać następująco:
Iv=π/4⋅(D2−d2)⋅φ⋅S⋅n⋅ζ
Iv oznacza tu strumień objętościowy cyrkulacji wężownicy mieszającej, D średnicę zewnętrzną, a d średnicę wewnętrzną wężownicy. φ opisuje stopień napełnienia, S skok wężownicy, n częstotliwość obrotów, a ζ współczynnik prędkości.
Równanie pokazuje: wraz ze wzrostem stopnia napełnienia proporcjonalnie rośnie cyrkulujący strumień objętościowy. Jednocześnie proporcjonalnie rośnie także ilość produktu do wymieszania. W odniesieniu do posiadanego wsadu specyficzna wydajność cyrkulacji pozostaje więc zasadniczo stała przy geometrycznie porównywalnych warunkach. Wyjaśnia to, dlaczego pionowy ruch mieszający może pozostawać podobnie skuteczny w szerokim zakresie stopnia napełnienia. amixon® opisuje tę zależność dla geometrycznie podobnych aparatów jako podstawę niezależnej od wielkości specyficznej wydajności mieszania.
Nie oznacza to, że stopień napełnienia nie odgrywa już żadnej roli. Wpływa on nadal na czas mieszania, kolumnę produktu, opróżnianie, dodawanie cieczy, obciążenie ciśnieniowe wrażliwych cząstek, dostępne przestrzenie gazowe, wyładunek i możliwe zastosowanie dodatkowych narzędzi. Nie jest on jednak przy cyrkulacji pionowej SinConvex® czynnikiem ograniczającym w takim samym stopniu jak przy zasadach mieszania, których działanie silnie zależy od określonej wysokości spadku, wolnej powierzchni produktu lub lokalnie tworzącej się strefy wirowej.
Duża elastyczność stopnia napełnienia
Pionowe mieszalniki dwuwałowe amixon® serii HM są według producenta opisywane dla stopni napełnienia od około 10 do 100 procent objętości użytkowej. Mieszalnik może przy tym pracować ze zmiennymi obrotami i ma homogenizować produkty suche, wilgotne oraz lepkie o różnych wielkościach cząstek, gęstościach nasypowych i właściwościach przepływowych.
W przypadku pionowych mieszalników jednowałowych serii VM skuteczne trójwymiarowe przemieszczanie rozpoczyna się według producenta już od około 10 procent stopnia napełnienia. Mieszalniki stożkowe serii AM pokrywają – zależnie od produktu i wykonania – również duże zakresy robocze; amixon® podaje stopnie napełnienia od około 5 do 100 procent. Dla proszkowych materiałów sypkich wymagana jest jednak wystarczająca przestrzeń gazowa. Rzeczywiście wykorzystywalny maksymalny stopień napełnienia zależy zatem od zachowania przepływowego, objętości produktu, odpowietrzenia, dodawania cieczy i geometrii mieszalnika.
Dla wrażliwych płatków zbożowych ta elastyczność oferuje praktyczne korzyści. Mniejsze wsady receptur mogą być przetwarzane w tym samym mieszalniku, bez konieczności przechodzenia na mniejszy aparat. Przy wariantach sezonowych, rozwoju produktów, częstych zmianach receptur lub wahających się ilościach produkcyjnych może to zmniejszać nakład na przezbrajanie i dodatkowe zdolności mieszania. Ruch cząstek pozostaje trójwymiarowy; intensywność mieszania jest dopasowywana poprzez wykonanie narzędzia, obroty i czas mieszania do wytrzymałości na łamanie, powłoki i pożądanej jednorodności.
Ochrona produktu i granice procesu
Dla płatków zbożowych podatnych na łamanie niska prędkość narzędzia jest często sensowna, aby ograniczyć energię uderzenia, tarcia i ścierania. Pionowy ruch transportowy może stosunkowo łagodnie przemieszczać produkt. Całkowite wykluczenie łamania płatków, ścierania lub uszkodzeń powłoki nie jest jednak ogólnie możliwe. Oprócz mieszania na integralność produktu mogą wpływać przede wszystkim załadunek, dodawanie cieczy, wyładunek, wysokości spadku i podłączona dalej technika transportowa.
Zastosowanie rotorów tnących lub innych intensywnych narzędzi dodatkowych nie jest zwykle konieczne przy wrażliwych płatkach zbożowych. Jeżeli dodawane są ciecze, takie jak aromaty, oleje, syropy lub powłoki, technikę natrysku należy dopasować do stopnia napełnienia i ruchu produktu. Wielkość kropli, natężenie natrysku, pozycja dyszy, temperatura produktu i lepkość wpływają na to, czy osiąga się równomierne zwilżenie bez lokalnego przewilgocenia i narostów.
Stopnie napełnienia zbliżone do górnej granicy muszą być sprawdzone, szczególnie przy produktach pylących lub lekkich, pod kątem wystarczającej przestrzeni odpowietrzającej, bezpiecznego załadunku i swobodnego ruchu produktu. Podobnie bardzo niskie stopnie napełnienia muszą zapewniać, że wężownica mieszająca i cyrkulacja produktu niezawodnie obejmują cały wsad. amixon® zaleca ustalenie minimalnego stopnia napełnienia planowanej instalacji za pomocą prób mieszania z produktem oryginalnym.
Dobór na podstawie prób
Konkretny dobór powinien odbywać się z oryginalnymi płatkami zbożowymi. Bada się przy tym wspólnie stopień napełnienia, obroty, czas mieszania, wykonanie narzędzia, załadunek, dodawanie cieczy i wyładunek. Ocenie powinny podlegać jednorodność mieszania, udział frakcji łamanych i drobnych, rozprowadzenie powłoki, tworzenie się pyłu, gęstość nasypowa, zachowanie przepływowe, opróżnianie resztkowe oraz możliwa segregacja po procesie mieszania.
Próby definiują nie tylko jeden optymalny stopień napełnienia, lecz wiarygodny dopuszczalny zakres roboczy. Dzięki temu mieszalnik pionowy może być elastycznie stosowany dla różnych wielkości wsadów, bez utraty z pola widzenia jakości produktu, integralności cząstek i powtarzalności procesu.