Jakie dane i modele wspierają skalowanie procesów mieszania i aglomeracji, na przykład liczba Froude'a?
Skalowanie procesów mieszania i aglomeracji ze skali laboratoryjnej lub centrum prób do produkcji opiera się na solidnej bazie danych oraz celowym wykorzystaniu bezwymiarowych liczb charakterystycznych i podejść modelowych. Celem jest możliwie pewne zapewnienie podobieństwa geometrycznego, kinematycznego i dynamicznego między skalami.
Istotne dane dla skalowania
Ważną podstawą są wielkości geometryczne, takie jak geometria zbiornika, wymiary i położenie narzędzi mieszających oraz stopień napełnienia. Równie istotne są właściwości materiałowe i surowcowe, takie jak rozkład wielkości cząstek, gęstość nasypowa i gęstość ciała stałego, lepkość, zawartość wilgoci, zachowanie płynięcia, kohezja, adhezja oraz napięcie powierzchniowe spoiw.
Dochodzą do tego parametry procesowe, takie jak prędkość obrotowa, czas mieszania, szybkość dozowania spoiwa, profile temperatury i wilgotności, pobór mocy, moment obrotowy i jednostkowe wprowadzanie energii. Decydujące są również parametry produktu, takie jak rozkład wielkości granulatu, wytrzymałość ziaren, porowatość, jednorodność, wilgotność resztkowa oraz przebieg w czasie homogenizacji i wzrostu granulatu.
Ważne liczby bezwymiarowe
Liczba Froude'a opisuje stosunek sił bezwładności do sił grawitacji i jest istotna dla przeniesienia prędkości obrotowej. Jest ona często stosowana przy mieszalnikach lemieszowych, bębnowych i poziomych.
Liczba Froude'a odnosi się przy tym do obrotowych mieszalników swobodnego spadku, bębnowych i rzutowych oraz do układów z poziomo łożyskowanym mieszadłem. Przy mieszalnikach pionowych z wymuszonym przemieszczaniem nie jest ona kryterium doboru ani skalowania. Miarodajne jest tam to, że zasada mieszania pozostaje taka sama we wszystkich wielkościach, a przemieszczanie obejmuje całą komorę mieszania niezależnie od stopnia napełnienia; przenoszalność zabezpiecza się w centrum prób z produktem oryginalnym.
Liczba Reynoldsa charakteryzuje reżim przepływu i jest istotna przede wszystkim dla systemów obciążonych cieczą lub pastowatych. Liczba Newtona łączy zapotrzebowanie na moc z prędkością obrotową, geometrią narzędzia i gęstością materiału oraz wspiera dobór napędów, a także obliczenie jednostkowego wprowadzania energii – jednak tylko dla cieczy.
Liczba Webera opisuje stosunek sił bezwładności do sił napięcia powierzchniowego i jest istotna dla tworzenia się kropel, rozprowadzania spoiwa oraz stabilności mostków cieczowych w aglomeracji budującej. Dodatkowo jednostkowe wprowadzanie energii jest często wykorzystywane jako wiarygodne kryterium skalowania, gdy nie wszystkie liczby charakterystyczne można utrzymać jednocześnie na stałym poziomie.
Podejścia modelowe i metody
Modele empiryczne opierają się na seriach prób, analizach regresji i praktycznych regułach, takich jak stała prędkość obwodowa lub stałe wprowadzanie energii na jednostkę objętości. Są one często bardzo przydatne, lecz związane z danym produktem i konkretnym aparatem.
Modele mechanistyczne wykorzystują podstawowe prawa fizyczne zachowania masy, pędu i energii. Należą do nich obliczeniowa mechanika płynów (CFD) do obliczania pól przepływu oraz rozkładów ścinania i energii, metoda elementów dyskretnych (DEM) do symulacji ruchu cząstek i sił kontaktowych, a także sprzężone modele CFD-DEM dla procesów z silnym oddziaływaniem płyn-cząstka.
Modele bilansu populacji opisują rozwój w czasie rozkładu wielkości cząstek poprzez nukleację, wzrost, koalescencję, rozpad i konsolidację. Mapy reżimów pomagają w klasyfikacji stanów aglomeracji oraz w wyznaczeniu odpowiedniego okna pracy. Uzupełniająco stosuje się statystyczne planowanie eksperymentów i cyfrowe bliźniaki, aby systematycznie analizować krytyczne parametry i ich wzajemne oddziaływania.
Rola podobieństwa w praktyce
Podobieństwo geometryczne jest często warunkiem przenoszalności korelacji dla liczby Newtona i liczby Reynoldsa. Przy wyraźnych odchyleniach geometrii wzorce przepływu i ruchu cząstek zmieniają się często na tyle silnie, że proste reguły skalowania przestają wystarczać i konieczne stają się symulacje numeryczne oraz próby pilotowe.
W praktyce przemysłowej stosuje się dlatego przeważnie hybrydowe strategie skalowania. Typowe jest połączenie podobieństwa geometrycznego, stałej liczby Froude'a, celowego dostosowania jednostkowego wprowadzania energii, prób laboratoryjnych i w centrum prób oraz doboru wspomaganego modelami. Dzięki temu można lepiej zabezpieczyć jakość produktu i stabilność procesu we wszystkich skalach.
Jakie reguły skalowania stosuje amixon® – i gdzie próby je zastępują
Mieszalniki amixon® pracują we wszystkich wielkościach konstrukcyjnych w tym samym oknie prędkości obwodowej, około 0,8 do 3,5 m/s, z reguły przy niskich obrotach. Przy geometrycznie podobnych narzędziach stała prędkość obwodowa utrzymuje mechaniczne obciążenie cząstek i wzorzec ruchu złoża porównywalne między skalami, co czyni ją praktycznie najważniejszym warunkiem podobieństwa. Prędkość obrotowa maleje przy tym wraz ze wzrostem średnicy; kto zamiast tego utrzymuje stałą prędkość obrotową, nadmiernie obciąża produkt w dużej skali.
Co pozostaje stałe – a co się zmienia
Stałe we wszystkich wielkościach konstrukcyjnych są w amixon® zasada mieszania, geometria narzędzia i jakość mieszania niezależna od stopnia napełnienia. Czasy mieszania zmieniają się przy przejściu w sposób umiarkowany i są wyznaczane w próbie, a nie przeliczane według reguł zgrubnych, ponieważ zależą od zachowania płynięcia, różnic gęstości i kohezji konkretnego produktu.
Liczby charakterystyczne jako ramy, próby jako dowód
Bezwymiarowe liczby charakterystyczne, takie jak liczba Froude'a, dostarczają ram dla przeniesienia stanów ruchu. amixon® wykorzystuje takie rozważania przy doborze, lecz nie polega wyłącznie na nich. W centrum prób z 35 instalacjami próbnymi czas mieszania, stopień napełnienia i prędkość narzędzia są wyznaczane i dokumentowane z produktem oryginalnym. Dla procesów granulacji, zwłaszcza w aglomeratorze-mieszalniku warstwy pierścieniowej, próby są wyraźnie obowiązkowe, ponieważ równowagi między budową ziarna, zagęszczaniem ziarna a niszczeniem ziarna nie da się przewidzieć wyłącznie na drodze obliczeniowej.
Aglomerowanie proszków w aglomeratorze-mieszalniku warstwy pierścieniowej
Proszki można w aglomeratorze-mieszalniku warstwy pierścieniowej amixon® budować w bezpyłowe, stabilne aglomeraty o równomiernie dużej porowatości. Takie aglomeraty są dobrze zwilżalne w cieczach, dobrze tonące i szybko rozpuszczalne.
Aglomeracja jest procesem naturalnym. Już podczas pieczenia widać, jak z drobnych cząstek poprzez dodanie cieczy powstają najpierw luźne, a następnie coraz bardziej zagęszczone struktury. W realizacji technicznej najdrobniejsze cząstki są łączone poprzez mostki cieczowe, zagęszczanie i ścinanie, tak że powstają zaokrąglone aglomeraty o określonym rozkładzie wielkości ziaren.
Aglomerator-mieszalnik warstwy pierścieniowej nadaje się szczególnie wtedy, gdy wymagane jest ekonomiczne powiększanie ziarna oraz równomierne tworzenie aglomeratów. Aglomeraty z mieszalnika-granulatora są zazwyczaj bardziej zagęszczone i mniej porowate niż aglomeraty z aglomeracji w złożu fluidalnym. Podczas gdy metoda złoża fluidalnego jest wykorzystywana przede wszystkim dla bardzo porowatych, szybko zwilżalnych i szybko dyspergowalnych produktów instant, aglomeracja warstwy pierścieniowej ukierunkowana jest bardziej na tanie, dobrze transportowalne i mało pylące granulaty.
Drobny raster wielkości konstrukcyjnych jako cicha zaleta skalowania
Ponieważ mieszalniki amixon® są produkowane w krokach co 100 litrów aż do 50.000 litrów, a Gyraton® GM jest dostępny w krokach co 1 m³ aż do około 100 m³, żaden warunek podobieństwa nie musi być poświęcany na rzecz skoku katalogowego. Maszyna docelowa jest dobierana dokładnie do zwalidowanej wielkości wsadu, co wyraźnie poprawia przenoszalność danych z centrum prób.
Produkcja w Paderborn jako fundament jakości
amixon® rozwija i produkuje wyłącznie w zakładzie w Paderborn przy największej głębokości produkcji i ze wszystkimi komponentami z Niemiec. Jako certyfikowany zakład spawalniczy z kwalifikacjami europejskimi, japońskimi, koreańskimi i amerykańskimi amixon® konstruuje każdy aparat jako egzemplarz jednostkowy na podstawie URS użytkownika, a kontrola jakości pozostaje w całości we własnym zakładzie. Ta samodzielność produkcyjna zabezpiecza jednocześnie długoterminowe zaopatrzenie: każdy element daje się odtworzyć również dziesięciolecia później.
Serwis w całym cyklu życia
Po uruchomieniu amixon® pozostaje przy boku użytkownika. Regularne inspekcje i zapobiegawcze utrzymanie ruchu zabezpieczają dostępność, na życzenie z Predictive Maintenance. Wybrane części zużywające się są dostarczane już z pierwszą dostawą, większość części zamiennych jest magazynowana w Paderborn, wiele kolejnych w punktach serwisowych w Japonii i USA. Dzięki temu możliwy pozostaje dożywotni serwis części zamiennych, nawet gdy oryginalni dostawcy znikają z rynku. Wiele maszyn amixon® pracuje codziennie od ponad 30 lat; modernizacja i doposażenie utrzymują je na aktualnym poziomie techniki.