Jakie opcje istnieją do integracji systemów dozujących w mieszalnikach proszków?
Systemy dozowania mogą być zintegrowane bezpośrednio przy mieszalniku, poprzez zbiornik pośredni lub jako część procesu ciągłego. Technicznie najlepsze rozwiązanie zależy od zachowania produktu, wymaganej dokładności dozowania, wydajności, pracy wsadowej lub ciągłej, higieny, containment i dostępnej wysokości zabudowy. Ryczałtowo „najlepszej” architektury nie ma.
Przy zasypie bezpośrednim organy dozujące, takie jak dozowniki ślimakowe, śluzy celkowe lub rynny wibracyjne, są bezpośrednio połączone z wlotem mieszalnika. Zmniejsza to liczbę punktów przekazania, swobodne wysokości spadku i straty materiału. Rozwiązanie nadaje się do kompaktowych instalacji, wymaga jednak niezawodnego uzgodnienia taktu między dozowaniem a mieszalnikiem. Dozowniki wolumetryczne są stosunkowo proste, reagują jednak wrażliwie na zmiany gęstości nasypowej, właściwości płynięcia lub poziomu napełnienia. Są więc sensowne przede wszystkim przy stabilnych, dobrze sypkich proszkach.
Dla procesów wsadowych często oferuje się poprzedzające odważanie grawimetryczne. Komponenty są przy tym dozowane według masy w zbiorniku ważącym lub bezpośrednio na wadze, a następnie przekazywane do mieszalnika wsadami. Zasada ta jest często nazywana Gain-in-Weight: mierzy się rosnącą masę w systemie ważącym. Umożliwia to jednoznaczne przypisanie receptury oraz wysoką, jednak zawsze zależną od produktu, zakresu ilości i instalacji dokładność. Tensometry muszą być przy tym odsprzęgnięte od drgań, sił z rurociągów i mechanicznych obciążeń dodatkowych.
Dla ciągłych procesów mieszania często stosuje się grawimetryczne dozowniki Loss-in-Weight. Loss in Weight oznacza, że stale rejestrowana jest malejąca masa zbiornika zapasowego; prędkość obrotowa organu dozującego jest regulowana tak, aby utrzymać zadany strumień masy. Ta metoda może lepiej kompensować wahania gęstości nasypowej i przepływu materiału niż czysto wolumetryczne dozowanie. Fazy uzupełniania pozostają jednak punktem krytycznym: podczas ponownego napełniania bezpośrednia regulacja grawimetryczna jest ograniczona lub przerwana, dlatego wielkość zbiornika, tempo uzupełniania, strategia regulacji i ewentualnie buforowanie muszą być starannie dobrane.
Dokładność dozowania nie powinna być podawana ryczałtowo jako stała wartość procentowa. Zależy od produktu, zakresu dozowania, czasu dozowania, rozdzielczości ważenia, właściwości płynięcia, organu wyładowczego, procesu uzupełniania, zakłóceń otoczenia oraz definicji dokładności. Szczególnie przy małych ilościach i kohezyjnych proszkach osiągalna dokładność może wyraźnie odbiegać od wartości nominalnych. Dlatego powinna być sprawdzona z materiałem oryginalnym i w rzeczywistym zakresie eksploatacji.
Zawory stożkowe mogą być stosowane jako organy wyładowcze i odcinające przy mieszalnikach, silosach lub zbiornikach. Przez uniesienie stożka powstaje pierścieniowa szczelina wyładowcza. Przy odpowiedniej geometrii zbiornika i odpowiednim materiale sypkim może to sprzyjać przepływowi masowemu: produkt porusza się wtedy w całym przekroju zbiornika, a nie tylko w centralnym kanale przepływu. Przepływ masowy może zmniejszać segregację, strefy martwe i nierównomierne czasy przebywania. Nie jest jednak gwarantowany samym zaworem. Kąt leja, wielkość wylotu, tarcie o ściankę, wilgotność produktu, kohezja, rozkład wielkości cząstek i napowietrzenie muszą być rozpatrywane łącznie.
Zmienna pozycja skoku zaworu stożkowego może wpływać na strumień produktu i przy określonych zastosowaniach wspierać dozowanie zgrubne lub precyzyjne. Dla precyzyjnych napełnień grawimetrycznych sam zawór z reguły nie zastępuje jednak odpowiedniej techniki ważenia i regulacji. Przy kohezyjnych lub trudno płynących proszkach mogą być dodatkowo konieczne środki wibracyjne, napowietrzające lub wspomagające wyładunek. Środki te muszą być ostrożnie dobierane, ponieważ drgania lub niekontrolowane ruchy powietrza mogą przy wrażliwych mieszaninach sprzyjać segregacji.
Sterowanie procesem musi logicznie blokować ze sobą dozownik, mieszalnik i wyładunek. Typowe warunki to: mieszalnik jest gotowy do zasypu, właściwa receptura jest zwolniona, zawór wyładowczy jest zamknięty, odważanie mieści się w dopuszczalnej tolerancji, a instalacja następcza może przyjąć produkt. Wyłączniki krańcowe, sygnały zwrotne położenia, sygnały ważenia, wartości poziomu napełnienia i komunikaty usterek powinny być jednoznacznie udokumentowane i zintegrowane ze sterowaniem. Programowalny sterownik logiczny, w skrócie sterownik PLC, może wykonywać te przebiegi; dla dokumentacji wsadów dane receptury, surowców i procesu mogą być przekazywane do systemów nadrzędnych.
Wykonanie konstrukcyjne zależy od przypadku zastosowania. Dla żywności i farmacji istotne są geometrie z minimalną liczbą stref martwych, dobrze czyszczalne, odpowiednie materiały mające kontakt z produktem oraz ewentualnie Cleaning in Place, w skrócie CIP, lub Sterilization in Place, w skrócie SIP. CIP oznacza czyszczenie zabudowanych części instalacji bez rozległego demontażu; SIP oznacza sterylizację w stanie zabudowanym. Przy wybuchowych pyłach lub gazach muszą być uwzględnione podział na strefy, ocena źródeł zapłonu i odpowiednie środki ochronne. Produkty ścierne mogą wymagać materiałów odpornych na zużycie lub wymiennych części zużywających się. Dla produktów reaktywnych lub wrażliwych na tlen konieczne mogą być systemy zamknięte, inertyzacja i określone warunki ciśnienia lub próżni.
Jak amixon® może integrować dozowanie, wyładunek i peryferia
Integracja systemów dozowania z mieszalnikiem proszku musi być planowana jako zadanie całościowe, obejmujące udostępnianie materiału, odważanie, zasyp, mieszanie, wyładunek, transport i sterowanie. Decydujące są właściwości materiałów sypkich, wymagana dokładność dozowania, tryb pracy – wsadowy lub ciągły – wymagana zdolność do czyszczenia, wymagania containment oraz interfejsy do instalacji poprzedzającej i następczej. amixon® może dobierać technikę mieszania i związane z nią interfejsy specyficznie dla projektu na podstawie specyfikacji wymagań użytkownika, w skrócie URS. URS to udokumentowana specyfikacja wymagań operatora.
Po stronie wyładunku armatura DosiFlap® może w określonych zastosowaniach wspierać kontrolowane wydawanie produktu. Może być umieszczona bezpośrednio pod mieszalnikiem i umożliwiać przekazanie do big bagów, opakowań, techniki transportu lub kolejnych etapów procesu. Zaletą bezpośredniego wydawania jest to, że można uniknąć dodatkowych zbiorników pośrednich i potencjalnych punktów przekazania. Czy dzięki temu osiąga się wystarczająco dokładne dozowanie, zależy jednak od właściwości płynięcia, gęstości nasypowej, ilości dozowanej, tolerancji wyładunku, charakterystyki zaworu, warunków ciśnieniowych oraz istniejącej koncepcji ważenia. Dla grawimetrycznie precyzyjnych napełnień z reguły potrzebna jest dopasowana technika ważenia; sam organ wyładowczy jej nie zastępuje.
Zależnie od wymagań procesowych mogą być stosowane również znormalizowane króćce z klapą wylotową lub odporne na próżnię i ciśnienie zawory kulowo-segmentowe. Odpowiedni organ wyładowczy musi pasować do produktu, geometrii zbiornika, możliwych warunków ciśnienia lub próżni, strategii czyszczenia i instalacji następczej. Licujące wykonanie wylotu z minimalną liczbą stref martwych może zmniejszać pozostałości produktu i nakład czyszczenia. Nie jest to jednak ogólny dowód, że powyżej armatury nie pozostają żadne pozostałości. Proszki przylegające, wilgotne, kohezyjne lub podatne na naładowanie elektrostatyczne mogą tworzyć naklejenia niezależnie od geometrii. Wydajność opróżniania i czyszczenia powinna więc być sprawdzona z rzeczywistym produktem.
Technologia ComDisc® może wspierać wyładunek, przemieszczając pod koniec procesu mieszania pozostałe ilości produktu w kierunku wylotu. Według amixon® możliwe są, zależnie od produktu i zastosowania, wysokie stopnie opróżnienia sięgające około 99,99 procent. Możliwie pełne opróżnienie może zwiększyć wydajność produktową, ułatwić zmianę produktu i zmniejszyć ilości resztkowe. Rzeczywiście osiągalne opróżnianie zależy jednak od przylegania produktu, wilgotności, wielkości cząstek, gęstości nasypowej, geometrii aparatu i sposobu eksploatacji. Opróżnianie wolne od segregacji może być oceniane tylko dla konkretnej receptury i rzeczywistej drogi wyładunku.
Dla procesów ciągłych ciągły mieszalnik amixon® typu AMK pokazuje, jak dozowanie, objętość mieszania i wyładunek mogą być ze sobą uzgodnione. Na początku produkcji wyładunek pozostaje najpierw zamknięty. Dozowniki grawimetryczne startują jednocześnie z niewielkim strumieniem masy i są wzajemnie uzgadniane. Po napełnieniu zbiornika w przybliżeniu do połowy zaczyna się praca mieszania. Przy stopniu napełnienia około 80 procent wyładunek stopniowo się otwiera; następnie stopień napełnienia jest utrzymywany na tym poziomie poprzez strumienie dozowania. Pod koniec produkcji strumienie dozowania są kontrolowanie redukowane, a mieszalnik jest opróżniany. Ta koncepcja może zmniejszać straty rozruchowe i końcowe oraz sprzyjać stabilnej pracy. Czy rzeczywiście nie powstają straty produktu lub produkty poza specyfikacją, zależy jednak od dokładności dozowania, wahań surowców, regulacji procesu, zadania mieszania i ustalonych kryteriów jakościowych.
Dla instalacji wsadowych obowiązują porównywalne zasady. Automatyczne odważanie receptury może rejestrować komponenty według zadanych ilości i przekazywać je w określonej kolejności do mieszalnika. Do tego dozowniki, tensometry, zbiorniki zapasowe, technika transportu, mieszalnik i wyładunek muszą być połączone jasną logiką sterowania i blokad. Na przykład mieszalnik powinien być zasypywany tylko wtedy, gdy receptura jest zwolniona, organ wyładowczy zamknięty, dostępna wystarczająca objętość zbiornika i proces znajduje się w bezpiecznym stanie pracy. Po fazie mieszania instalacja następcza lub system napełniania musi być gotowy, zanim wyładunek zostanie zwolniony.
amixon® produkuje technikę mieszania; dozowniki, przesiewacze, technika transportu i dalsza peryferia mogą być integrowane w ramach projektu. Do tego muszą być wcześnie zdefiniowane wymiary przyłączy mechanicznych, wysokości przekazania, wydajności transportu, przepustowości, objętości buforowe, przepływy materiałowe, przekazywanie sygnałów i odpowiedzialności. Kompaktowe mieszalniki pionowe mogą ułatwiać integrację, ponieważ surowce są często doprowadzane od góry, a produkty wyładowywane ku dołowi. Zasada grawitacji działa jednak tylko wtedy, gdy wysokości spadku, kąty leja, właściwości płynięcia, ryzyka tworzenia mostków, prowadzenie pyłu i dostępna wysokość zabudowy są wystarczająco uwzględnione.
Sterowanie łączy odważanie, dozowanie, proces mieszania i napełnianie. Receptury mogą być zapisane w programowalnym sterowniku logicznym, w skrócie sterowniku PLC, i wykonywane dla poszczególnych wsadów. Sterownik PLC to komputer przemysłowy do sterowania maszynami i procesami. Podłączenie specyficzne dla projektu do systemu planowania zasobów przedsiębiorstwa, w skrócie systemu ERP, oraz identyfikacja materiału wspomagana kodami kreskowymi mogą wspierać identyfikowalność wsadów. System ERP służy planowaniu i zarządzaniu zleceniami, materiałami i zasobami. Aby receptura, wsad surowca, ilości zadane i rzeczywiste, parametry procesowe i wyładunek zostały prawidłowo ze sobą powiązane, muszą zostać jasno ustalone model danych, znaczniki czasowe, wersja receptury, uprawnienia użytkowników, zachowanie komunikacji i postępowanie z odchyleniami.
Dobór nowego rozwiązania dozowania lub wyładunku nie powinien opierać się wyłącznie na wartościach empirycznych. W centrum prób amixon® można przeprowadzać próby z oryginalnym produktem. W Paderborn, według amixon®, dostępnych jest ponad 30 instalacji testowych w różnych wielkościach; uzupełniające centra testowe działają w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. Zależnie od postawionego zadania można ocenić jakość mieszania, zdolność do dozowania, rozprowadzanie cieczy, łagodność wobec produktu, wprowadzanie energii, zdolność do opróżniania i zdolność do czyszczenia. Wyniki mogą wspierać dobór instalacji i definicję parametrów wyjściowych. Zmniejszają ryzyko techniczne przed inwestycją, nie zastępują jednak odbioru wydajnościowego i ewentualnej kwalifikacji pełnej linii produkcyjnej u operatora.
Projektowanie higieniczne instalacji mieszającej może wspierać czystą i kontrolowaną integrację. amixon® opisuje dla określonych wykonań obszary mające kontakt z produktem o ograniczonej liczbie szczelin i wypolerowane, mieszadło łożyskowane wyłącznie od góry oraz drzwi inspekcyjne Clever-Cut® z uszczelnieniami OmgaSeal®. Te cechy mogą poprawiać dostępność i zdolność do czyszczenia oraz zmniejszać liczbę miejsc uszczelniających mających kontakt z produktem. Lance myjące oraz Cleaning in Place, w skrócie CIP, lub Wet in Place, w skrócie WIP, mogą być przewidziane w zależności od projektu. CIP oznacza czyszczenie w stanie zabudowanym bez rozległego demontażu. WIP opisuje czyszczenie na mokro w stanie zabudowanym. Rzeczywista skuteczność czyszczenia musi być wykazana dla produktu, zabrudzenia i procedury czyszczenia; lanca myjąca lub zautomatyzowany przebieg czyszczenia nie jest automatycznie czyszczeniem zwalidowanym.