Jak na podstawie danych o produkcie (gęstość nasypowa, wielkość cząstek, wilgotność) uzyskać rzetelną rekomendację doboru mieszalnika?
Uzasadnionej rekomendacji doboru mieszalnika nie da się wyprowadzić wyłącznie z gęstości nasypowej, wielkości cząstek i wilgotności. Dane te są ważnym punktem wyjścia, jednak muszą zostać uzupełnione o informacje dotyczące zachowania podczas płynięcia, kohezji, ścieralności, stabilności termicznej, wrażliwości na ścinanie, skłonności do rozdzielania się oraz konkretnego zadania mieszania. Ostateczny wybór powinien zawsze zostać potwierdzony próbami z oryginalnym produktem.
Gęstość nasypowa jest istotna przede wszystkim dla doboru wymiarów zbiornika, dozowania, ilości napełnienia i napędu. Określa ona, jaka masa produktu jest poruszana w mieszalniku przy danej objętości. Samej gęstości nasypowej nie można jednak wiarygodnie wyprowadzić ani wymaganego momentu obrotowego, ani jakości mieszania. Decydujące są tu dodatkowo zachowanie podczas płynięcia, tarcie wewnętrzne, kohezja i konsystencja produktu. Znać należy zarówno gęstość nasypową luźną, jak i zagęszczoną, zwłaszcza gdy surowce trafiają do mieszalnika w różny sposób – po transporcie pneumatycznym, magazynowaniu lub zagęszczeniu.
Rozkład wielkości cząstek istotnie wpływa na zachowanie podczas mieszania i ryzyko rozdzielania się. Duże różnice wielkości cząstek, gęstości, kształtu lub struktury powierzchni mogą prowadzić do segregacji. Zwłaszcza w przypadku swobodnie płynących proszków różnica wielkości komponentów jest często istotnym czynnikiem napędzającym rozdzielanie się. Sam dobór mieszalnika nie może całkowicie wyeliminować tego ryzyka. Również załadunek, czas mieszania, wyładunek, magazynowanie pośrednie i dalszy transport muszą być tak zaprojektowane, aby nie dochodziło do ponownego rozdzielenia.
Drobne i kohezyjne proszki nie wymagają automatycznie mieszalnika o wysokiej energii ścinania. Najpierw należy wyjaśnić, czy aglomeraty rzeczywiście muszą zostać rozbite i czy produkt wytrzyma niezbędne ścinanie. Wysokie ścinanie może rozbijać aglomeraty, ale równie dobrze uszkadzać cząstki, powodować ścieranie, wprowadzać ciepło lub sprzyjać późniejszemu rozdzielaniu się. W przypadku produktów wrażliwych często sensowniejszy jest łagodny, konwekcyjny ruch produktu. Jeśli wymagana jest zdefiniowana deaglomeracja, można celowo zastosować dodatkowe narzędzie rozdrabniające lub intensywne.
Wilgotność silnie wpływa na zachowanie podczas płynięcia. Może tworzyć mostki cieczowe między cząstkami i tym samym zwiększać kohezję, tworzenie się grudek oraz przywieranie. W przypadku niektórych bardzo lekkich lub pylących proszków niewielkie, celowe dodanie wilgoci może wręcz poprawić obsługę produktu. Decydująca jest zatem nie tylko bezwzględna wartość wilgotności, lecz także rozkład wilgoci, rodzaj cieczy, ilość dodawana, moment dodania oraz reakcja poszczególnych składników receptury.
Dla wiarygodnej rekomendacji należy dodatkowo określić funkcję płynięcia, tarcie o ścianę, kąt zsypu, ściśliwość, skłonność do pylenia, ścieralność, lepkość oraz zachowanie termiczne. Badania w komorze ścinania (shear cell) mogą na przykład rejestrować kohezję i tarcie o ścianę. Te parametry są szczególnie ważne, gdy instalacja ma być również niezawodnie zasilana, opróżniana lub dozowana.
Równie ważne jak dane materiałowe jest zadanie procesowe. Należy zdefiniować proporcje mieszania, wielkość wsadu, pożądaną jakość mieszania, dopuszczalny czas mieszania, udział i drogę dozowania mikroskładników, zmianę produktu, wymagania dotyczące czyszczenia oraz ewentualne dodatkowe procesy, takie jak nawilżanie, powlekanie, temperowanie, suszenie próżniowe lub deaglomerację. Również pytanie, czy proces ma być prowadzony okresowo, czy w sposób ciągły, istotnie wpływa na wybór.
Swobodnie płynące, podobne do siebie komponenty można często przetwarzać w mieszalnikach pracujących łagodnie. W przypadku produktów kohezyjnych, wilgotnych lub przywierających zwykle konieczne są aktywnie poruszane narzędzia mieszające oraz ewentualnie dopasowane zgarnianie ścian. Pasty lub bardzo wilgotne masy wymagają innej zasady mieszania niż suche, sypkie proszki. W przypadku produktów silnie wrażliwych na ścinanie zachowanie struktury cząstek musi mieć pierwszeństwo przed maksymalną intensywnością mieszania.
Wybór powinien przebiegać wieloetapowo. Najpierw opisuje się surowce i zadanie mieszania. Następnie ocenia się zachowanie podczas płynięcia, ryzyko rozdzielania się i wymaganą intensywność mieszania. Na tej podstawie można zawęzić odpowiednie zasady mieszania. Dopiero potem dobiera się objętość aparatu, zakres stopnia napełnienia, geometrię narzędzia, prędkość obrotową, moc napędu oraz ewentualne dodatkowe funkcje.
Decydującym krokiem pozostają próby w centrum prób z oryginalnym produktem. Pokazują one, czy wymagana jakość mieszania jest rzeczywiście osiągana, czy podczas wyładunku dochodzi do rozdzielania się, jak wrażliwy jest produkt na energię mieszania oraz czy czyszczenie i powiększanie skali (scale-up) są możliwe w sposób procesowo bezpieczny. Uzasadniona rekomendacja doboru mieszalnika jest zatem zawsze połączeniem danych materiałowych, jasno zdefiniowanych celów procesowych i walidacji doświadczalnej.
Od danych produktowych do rekomendacji mieszalnika
Uzasadniona rekomendacja mieszalnika zaczyna się w amixon® od ustrukturyzowanej analizy wymagań. Gęstość nasypowa, rozkład wielkości cząstek i wilgotność dostarczają ważnych wskazówek, jednak same w sobie nie wystarczają do wyboru systemu mieszania. Dodatkowo uwzględnia się zachowanie podczas płynięcia, kohezję, lepkość, ścieralność, wrażliwość na ścinanie, stabilność termiczną, skłonność do pylenia oraz ewentualnie parametry ochrony przeciwwybuchowej.
Równie ważne są cele procesowe. Należą do nich wielkość i rozpiętość wsadu, pożądana jakość mieszania, udział i droga dozowania mikroskładników, dopuszczalny czas mieszania, dodawanie cieczy, deaglomeracja, temperowanie, suszenie, wymagania dotyczące czyszczenia, containment oraz pożądany stopień opróżniania resztkowego. Uwzględnia się również załadunek, wyładunek i dalsze drogi transportu, ponieważ już homogeniczna mieszanina może ponownie ulec rozdzieleniu wskutek niekorzystnego transportu produktu.
Analiza wartości użytkowej dla wyboru
Na tej podstawie amixon® może sporządzić analizę wartości użytkowej. Zestawia ona indywidualne cechy wymagań operatora z właściwościami odpowiednich aparatów i koncepcji procesowych. Kryteria są ważone, oceniane i przejrzyście dokumentowane.
Możliwe kryteria oceny to: jakość mieszania, łagodność wobec produktu, wielkość wsadu, zakres stopnia napełnienia, możliwość czyszczenia, opróżnianie resztkowe, wydajność suszenia, wprowadzanie energii, automatyzacja, wykonanie materiałowe, ochrona przeciwwybuchowa, nakłady inwestycyjne oraz długoterminowe koszty eksploatacji. W ten sposób można systematycznie łączyć specyfikę potrzeb z właściwościami aparatów. Analiza wartości użytkowej nie zastępuje próby, lecz tworzy zrozumiałą podstawę do preselekcji.
Zawężanie koncepcji aparatu
Na podstawie analizy zawężana jest odpowiednia zasada mieszania. Dla suchych lub lekko wilgotnych proszków o wysokich wymaganiach co do homogeniczności odpowiednie mogą być mieszalniki pionowe lub stożkowe. Dla produktów wrażliwych, podatnych na łamanie lub skłonnych do rozdzielania się na pierwszy plan wysuwa się łagodny ruch produktu. W przypadku produktów kohezyjnych, przywierających lub wilgotnych mogą być konieczne aktywnie poruszane narzędzia mieszające, zgarnianie ścian lub celowa deaglomeracja.
Jeśli dodatkowo wymagane jest temperowanie, suszenie próżniowe lub etapy reakcji, w grę wchodzą próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające, takie jak VMT lub AMT. Aparaty te nadają się do proszków, zawiesin, past i ciast i mogą pracować pod ciśnieniem lub próżnią.
Przydatności aparatu nie wolno jednak wyprowadzać wyłącznie z formy konstrukcyjnej lub wielkości. Wspólnie należy uwzględnić zakres stopnia napełnienia, geometrię narzędzia, prędkość obrotową, recepturę, wahania surowcowe oraz pożądaną intensywność mieszania. Wysoka jakość mieszania przy jednym produkcie lub stopniu napełnienia nie jest automatycznie przenoszalna na każdą inną recepturę czy wsad.
Weryfikacja w centrum prób
Preselekcja jest następnie weryfikowana z oryginalnym produktem. W centrum prób można zbadać jakość mieszania, czas mieszania, łagodność wobec produktu, skłonność do rozdzielania się, rozkład cieczy, przebieg temperatury, wprowadzanie energii, możliwość czyszczenia i opróżnianie resztkowe. W procesach próżniowych dodatkowo ocenia się czas suszenia, wilgotność resztkową, przebieg próżni i temperaturę produktu.
Z danych z prób powstają wiarygodne rekomendacje dotyczące wielkości aparatu, narzędzia mieszającego, zakresu prędkości obrotowej, stopnia napełnienia, czasu procesu, kolejności dozowania oraz ewentualnie profilu temperowania lub suszenia. W ten sposób amixon® łączy ocenę danych produktowych z przejrzystą analizą wartości użytkowej oraz praktyczną walidacją w warunkach zbliżonych do rzeczywistych.