Jakie narzędzia mieszające i opcje wyposażenia nadają się szczególnie dobrze, gdy materiały sypkie są heterogeniczne i mają różne gęstości nasypowe?
W przypadku heterogenicznych materiałów sypkich o różnych gęstościach nasypowych, wielkościach cząstek, kształtach i właściwościach płynięcia decydujące znaczenie ma nie pojedyncze narzędzie mieszające, lecz dopasowane współdziałanie zasady mieszania, geometrii narzędzia, dozowania, sposobu pracy i koncepcji wyładunku. Szczególnie ważne jest, aby system mieszania wielokrotnie włączał wszystkie obszary produktu do aktywnej strefy mieszania, a mieszanina była następnie wyładowywana możliwie bez odcinków spadku, wibracji lub niekorzystnego buforowania. Różnice w wielkości cząstek, kształcie i gęstości należą do najważniejszych przyczyn rozdzielania się mieszaniny; może ono wystąpić podczas mieszania, ale szczególnie często przy wyładunku i w kolejnych zbiornikach.
Odpowiednie zasady mieszania
Dla dużych różnic gęstości nasypowych i cech cząstek aktywnie konwekcyjne systemy mieszania nadają się w wielu przypadkach lepiej niż czyste mieszalniki swobodnego spadku. Należą do nich wolno lub umiarkowanie pracujące mieszalniki łopatkowe, czerpakowe, lemieszowe, wężownicowe i wielowałowe. Wytwarzają one zdefiniowane strumienie produktu i skracają drogę, jaką poszczególne składniki muszą pokonać dla pełnego rozprowadzenia przestrzennego. To, która koncepcja pasuje najlepiej, zależy jednak istotnie od kohezyjności, ścierności, wrażliwości cząstek, docelowego czasu mieszania i wsadu.
Mieszalniki lemieszowe mogą wytwarzać intensywną fluidyzację mechaniczną i są sensowne, gdy kohezyjne proszki, aglomeraty lub trudne mikroskładniki muszą być szybko rozprowadzone. Wysoka intensywność mieszania może jednak sprzyjać także łamaniu cząstek, ścieraniu, wydzielaniu ciepła i przy zbyt długiej obróbce ponownemu rozdzielaniu się mieszaniny. Są zatem sensowne tylko wtedy, gdy receptura dopuszcza takie obciążenie.
Dwuwałowe mieszalniki łopatkowe lub czerpakowe wytwarzają nakładające się strumienie mieszania i mogą przy odpowiedniej geometrii narzędzia umożliwić krótki czas mieszania. Nadają się do mieszanin heterogenicznych, gdy jednocześnie wymagane jest dobre trójwymiarowe rozprowadzenie i stosunkowo ograniczone obciążenie cząstek. Przy bardzo wrażliwych granulatach lub składnikach podatnych na łamanie prędkość narzędzia, kąt łopatek, stopień napełnienia i wyładunek powinny być sprawdzone szczególnie starannie.
Pionowe mieszalniki stożkowe lub wężownicowo-ślimakowe są korzystne, gdy wymagana jest delikatna, konwekcyjna cyrkulacja produktu przy zmiennych stopniach napełnienia. Mogą dobrze nadawać się do produktów, których struktura ma być możliwie zachowana. Przy silnie kohezyjnych drobnych cząstkach lub trwałych aglomeratach sam ruch wężownicy może jednak nie wystarczyć. W takim przypadku może być wymagany ograniczony czasowo etap mieszania intensywnego lub wstępne premiksowanie.
Mieszalniki koryta z taśmami wężownicowymi są ekonomicznym rozwiązaniem dla dobrze płynących produktów i umiarkowanych różnic między składnikami. Przy skrajnych różnicach gęstości lub wielkości ziaren istnieje jednak zwiększone ryzyko, że cyrkulacja produktu nie obejmie wystarczająco wszystkich stref lub że mieszanina ponownie się rozdzieli przy wyładunku. Mieszalniki swobodnego spadku, takie jak dwustożkowe, typu V lub obrotowe, są szczególnie delikatne, ale nadają się przede wszystkim dla dobrze płynących, w dużej mierze pozbawionych aglomeratów i wystarczająco podobnych pod względem właściwości cząstek składników. Przy wyraźnych różnicach wielkości, kształtu lub gęstości mogą one wymagać dłuższych czasów mieszania i mieć skłonność do rozdzielania się.
Narzędzia i opcje
Łopatki i czerpaki o określonym ustawieniu kątowym mogą łączyć osiowe, promieniowe i styczne strumienie produktu. Celowe rozmieszczenie narzędzi pomaga objąć całą objętość i uniknąć ubogich w produkt obszarów brzegowych. Narzędzia lemieszowe odrywają produkt od ściany zbiornika i wytwarzają intensywne pole przepływu. Narzędzia wężownicowe i taśmowo-śrubowe transportują produkt w kontrolowany sposób wzdłuż ściany i prowadzą go do centralnego strumienia powrotnego. Optymalny kształt narzędzia nie da się wyprowadzić ogólnie ze stosunku gęstości; musi być dopasowany do struktury cząstek, kohezyjności, ścierności i wrażliwości cząstek.
Zgarniacze przyścienne mogą być sensowne przy produktach przylegających lub wilgotnych, aby ograniczyć narosty produktu na ścianie zbiornika i dnie. Przy suchych, ściernych proszkach muszą być jednak zaprojektowane tak, aby nie tworzyły niepotrzebnych stref tarcia i ścierania. Regulowany kąt narzędzia lub wymienne narzędzia mogą zwiększać elastyczność przy zmieniających się recepturach, ale muszą być wykonane higienicznie, stabilnie mechanicznie i pozycjonowalne w sposób powtarzalny.
Rozdrabniacze, choppery lub głowice nożowe są sensowne, gdy kohezyjne aglomeraty muszą zostać celowo rozbite. Nie powinny być stosowane trwale jako zamiennik odpowiedniej podstawowej kinematyki mieszania. Ograniczone czasowo dołączenie w jasno zdefiniowanej fazie procesu zmniejsza obciążenie całego wsadu. Zwłaszcza przy wrażliwych, powlekanych lub ściernych cząstkach należy sprawdzić, czy uzyskany efekt deaglomeracji uzasadnia możliwe łamanie cząstek lub ścieranie.
Precyzyjne dozowanie cieczy może w odpowiednich recepturach pomóc związać frakcje drobne z grubszymi cząstkami nośnymi i tym samym zmniejszyć perkolację. Lance dozujące, dysze rozpylające lub dysze dwuczynnikowe powinny wprowadzać ciecz do aktywnej strefy mieszania. Ilość, wielkość kropli, czas dozowania i moment dodawania muszą być kontrolowane, aby nie powstawały lokalne przewilgocenia, gniazda lepkości lub niepożądane aglomeraty. Przy produktach wrażliwych na wilgoć lub reaktywnych z wodą to podejście oczywiście się nie nadaje.
Zmienna regulacja prędkości obrotowej za pomocą przemiennika częstotliwości umożliwia sposób pracy dostosowany do procesu. Na przykład wsad może być po zasypie najpierw delikatnie homogenizowany, następnie krótko intensywniej obrabiany w celu deaglomeracji, a na koniec ponownie domieszany przy niskim obciążeniu. Czas mieszania powinien być tak krótki, jak to możliwe, i tylko tak długi, jak konieczne. Przemieszanie może przy produktach podatnych na rozdzielanie się ponownie pogorszyć jednorodność.
Dozowanie i wyładunek
Przy dużych różnicach gęstości lub wielkości cząstek strategia dodawania jest często równie ważna jak sam mieszalnik. Mikroskładniki i drobne cząstki nie powinny trafiać w stagnujące strefy brzegowe, lecz być dozowane w kontrolowany sposób do aktywnego strumienia produktu. Premiksy geometryczne mogą być sensowne, gdy wysoko skoncentrowane dodatki, barwniki, substancje czynne lub bardzo drobne składniki muszą być rozprowadzone w niskim dozowaniu. Grawimetryczne systemy dozujące wspierają powtarzalne ważenie i pomagają odróżnić błędy dozowania od rzeczywistych problemów z mieszaniem.
Wyładunek musi być traktowany jako część zadania mieszania. Zbiornik o przepływie masowym zapewnia, że produkt porusza się na całym przekroju, podczas gdy przy przepływie rdzeniowym lub kanałowym poszczególne obszary pozostają dłużej nieruchome, a frakcje mogą być wyładowywane preferencyjnie. Strome kąty ścian, odpowiednie materiały ścian, wystarczająco duże przekroje wylotowe i odpowiednio dobrany organ wyładowczy sprzyjają przepływowi masowemu. Dzięki temu ograniczane są zarówno rozdzielanie się mieszaniny, jak i tworzenie się mostków oraz stref martwych.
Odcinki swobodnego spadku i silne poziome zawracania powinny być minimalizowane. Sprzyjają one rozdzielaniu się mieszaniny przez tor lotu, toczenie i perkolację. Przy transporcie pneumatycznym korzystny może być delikatny, wolniejszy transport w fazie gęstej, o ile jest on technicznie odpowiedni dla produktu. Wibracje przy przenośnikach, zbiornikach i stacjach pakujących powinny być również krytycznie sprawdzane, ponieważ mogą przemieszczać frakcję drobną ku dołowi i pozwalać na wznoszenie się grubych cząstek.
Liczby charakterystyczne i badanie
Liczba Froude'a Fr jest przede wszystkim dla obrotowych systemów mieszania użyteczną liczbą charakterystyczną. Opisuje ona stosunek sił bezwładności do sił grawitacji. Przy zbyt niskiej prędkości obrotowej cyrkulacja może być niewystarczająca; przy zbyt wysokiej prędkości obrotowej cząstki mogą być dociskane do ściany zbiornika i ulegać zjawisku odśrodkowemu. Ogólna zasada w rodzaju „Fr>1 zapobiega segregacji” nie jest prawdziwa. Przy Fr≈1 w wielu układach obrotowych zaczyna się już zjawisko odśrodkowe, dlatego dla właściwego mieszania wymagane są zwykle wyraźnie niższe liczby Froude'a.
Dla procesów ciągłych i okresowych dobór uzupełniają dalsze wartości charakterystyczne: stopień napełnienia, liczba obrotów narzędzia, prędkość obwodowa, jednostkowe wprowadzanie mocy, czas mieszania, rozkład czasu przebywania, dokładność dozowania i czas wyładunku. Wartości te nie są uniwersalnymi wielkościami zadanymi, lecz muszą być ustalane na podstawie prób produktowych. Jakość mieszania powinna być oceniana nie tylko w mieszalniku, lecz za pomocą rozłożonych w czasie próbek podczas wyładunku oraz w razie potrzeby po dalszym transporcie.
Mieszalnik dwuwałowy HM i KoneSlid® KS
Gdy materiały sypkie wykazują mocno różniące się gęstości nasypowe, wielkości cząstek, kształty lub właściwości płynięcia, amixon® poleca szczególnie pionowy mieszalnik dwuwałowy HM oraz – dla szczególnie wrażliwych lub grubostrukturalnych produktów – mieszalnik KoneSlid® KS. Oba systemy pracują z aktywnie wytwarzaną, trójwymiarową cyrkulacją produktu i są dzięki temu szczególnie odpowiednie wobec czystych mieszalników swobodnego spadku, gdy mieszanina ma być wytwarzana szybko, powtarzalnie i możliwie stabilnie wobec późniejszego rozdzielania się. To, która forma konstrukcyjna pasuje lepiej, zależy od kohezyjności, udziału aglomeratów, wrażliwości cząstek, wielkości wsadu, zakresu stopnia napełnienia, pożądanego czasu mieszania oraz wymagań dotyczących wyładunku.
Mieszalnik dwuwałowy amixon® HM wykorzystuje dwa obracające się w tym samym kierunku mieszadła śrubowe SinConvex®. Wytwarzają one dwa nakładające się strumienie produktu: mieszanina jest transportowana w obszarze zewnętrznym ku górze i w obszarze centralnym spływa pod wpływem grawitacji ponownie w dół. W strefie zachodzenia na siebie obu strumieni następuje intensywna wymiana między składnikami. Wspiera to bardzo szybką i równomierną homogenizację, nawet gdy stosowane materiały sypkie wyraźnie różnią się gęstością nasypową, wielkością cząstek lub zachowaniem płynięcia. Dla kohezyjnych proszków, różnych frakcji i mieszanin z niewielkimi ilościami dodatków HM może być dodatkowo wyposażony w rotory tnące lub HighShearBlades. Są one dołączane tylko w wymaganej fazie procesu, aby celowo rozbić aglomeraty lub drobno rozprowadzić dodawaną ciecz.
Mieszalnik KoneSlid® KS nadaje się szczególnie do produktów wrażliwych, suszonych rozpyłowo, granulowanych fluidalnie, suszonych taśmowo lub grubostrukturalnych, przy których kształt cząstek, pasmo ziarnowe, powłoka lub optyczna jakość produktu mają być możliwie zachowane. Centralne narzędzie mieszające SinConvex® transportuje produkt w obszarze brzegowym ku górze. W centrum spływa on w dół i jest przez stożkowy korpus wypierający ponownie kierowany do zewnętrznej strefy mieszania. Dzięki temu powstaje celowe, trójwymiarowe wymuszone przemieszczanie przy stosunkowo niskim wprowadzaniu energii mechanicznej. Cała objętość wsadu może zostać jednokrotnie przemieszczona po około czterech obrotach narzędzia. Pożądaną jakość mieszania można, w zależności od produktu, receptury, stopnia napełnienia i docelowej jednorodności, osiągnąć po około 20 do 40 obrotach. Wartości te muszą jednak zostać zabezpieczone próbą dla konkretnego produktu.
Istotna zaleta obu systemów polega na tym, że intensywność mieszania nie jest determinowana wyłącznie przez zmianę narzędzia. Narzędzia mieszające SinConvex® pracują z trójwymiarowym przepływem podstawowym o charakterze konwekcyjnym. Poprzez prędkość obrotową i prędkość obwodową można dostosować stan pracy. W zależności od formy konstrukcyjnej i zadania mieszania można ustawiać prędkości obwodowe narzędzia w zakresie od około 0,8 do 3,5 m/s. Dla delikatnej homogenizacji pracuje się przy niskim obciążeniu. Gdy jest to wymagane, rotory tnące lub HighShearBlades mogą być dołączane przez ograniczony czas dla celowej deaglomeracji. Przepływ podstawowy pozostaje przy tym zaprojektowany pod pełne i równomierne objęcie objętości produktu.
Także kontrolowane dodawanie cieczy może być decydujące przy heterogenicznych materiałach sypkich. Ciecze, spoiwa, oleje lub dodatki funkcjonalne mogą być wprowadzane przez lance lub dysze dwuczynnikowe do aktywnej strefy mieszania. W odpowiednich recepturach frakcje drobne mogą być w ten sposób wiązane z grubszymi cząstkami nośnymi, a późniejsza perkolacja zmniejszona. Ilość, wielkość kropli, miejsce dozowania, moment dodawania i czas domieszania muszą być ustalane specyficznie dla produktu. Nieodpowiednie dozowanie może powodować lokalne przewilgocenie, aglomeraty lub pogorszenie zachowania płynięcia.
Płaszcze grzewczo-chłodzące umożliwiają ogrzewanie lub chłodzenie komory mieszania oraz w razie potrzeby innych obszarów mających kontakt z produktem. Może to być istotne, gdy ma być wpływana lepkość dodawanej cieczy, topione spoiwo, kondycjonowana wilgotność lub odprowadzane ciepło reakcji. Dla suchych, niewrażliwych na temperaturę materiałów sypkich temperowanie nie jest bezwzględnie wymagane, ale przy sezonowo wahających się temperaturach surowców lub wrażliwych recepturach może przyczyniać się do lepszej stabilności procesu.
Zakres stopnia napełnienia może być, w zależności od formy konstrukcyjnej mieszalnika i produktu, duży. amixon® podaje dla różnych form konstrukcyjnych zakres od około 10 do 100 procent objętości użytkowej. Czy idealna mieszanina losowa jest rzeczywiście osiągalna w całym zakresie stopnia napełnienia i przy każdej recepturze, musi być jednak sprawdzone odniesione do produktu. Przy bardzo niskich stopniach napełnienia, mocno różniących się składnikach, niskich udziałach dozowania lub kohezyjnych frakcjach drobnych czas mieszania, wymagane mieszanie intensywne i jednorodność mogą się zmieniać. Ponowna ocena jest konieczna zwłaszcza wtedy, gdy receptura, jakość surowca, masa wsadu, okno stopnia napełnienia lub parametry procesowe są istotnie zmieniane.
Aparaty amixon® są projektowane na podstawie specyfikacji wymagań użytkownika (User Requirement Specification). Wyposażenie w narzędzia, liczba rotorów, pozycja dysz cieczowych, materiały, powierzchnie, uszczelnienia, czujniki, temperowanie i koncepcja wyładunku mogą być dostosowane do spektrum produktów. Przy mieszaninach ściernych możliwe są na przykład hartowane narzędzia mieszające, okładziny z węglika spiekanego lub ochronne powłoki ceramiczne. Późniejsza rozbudowa może, w zależności od istniejącej konstrukcji i dostępnego interfejsu, obejmować dodatkowe punkty dozowania, czujniki, urządzenia temperujące lub agregaty mieszania intensywnego. Czy modernizacja jest technicznie i ekonomicznie sensowna, zależy od konkretnego istniejącego aparatu i nowych wymagań produktu.
Przydatność dla całego spektrum produktów powinna być sprawdzona na podstawie każdorazowo najbardziej krytycznych materiałów. Należą do nich na przykład produkt najbardziej wrażliwy pod względem łamania cząstek, najbardziej kohezyjny proszek, najbardziej ścierna mieszanina, receptura o najniższym udziale dozowania lub mieszanina o największych różnicach gęstości nasypowej. W centrum prób amixon® produkty te mogą być badane przy realistycznych stopniach napełnienia, czasach mieszania, prędkościach obrotowych i koncepcjach dodawania. Oceniane są jednorodność, deaglomeracja, ochrona cząstek, rozprowadzenie cieczy, wprowadzanie energii, opróżnianie resztkowe, ryzyko rozdzielania się mieszaniny przy wyładunku, czyszczalność i powtarzalność. Wyniki służą jako udokumentowana podstawa doboru instalacji produkcyjnej.
Dla różnych wielkości wsadów dostępne są różne formy konstrukcyjne. Mieszalniki pionowe i stożkowe, takie jak VM, HM i AM, oraz reaktory suszarko-mieszalnikowe VMT i AMT mogą być wykonane projektowo od około 100 do 50 000 litrów. Gyraton® GM obejmuje duże wsady w zakresie około 10 do 100 m³. Dla małych wsadów dostępne są EM w zakresie od około 5 do 200 litrów oraz mieszalnik kontenerowy COM w zakresie od około 100 do 4000 litrów. Wybór wielkości konstrukcyjnej zależy od masy wsadu, gęstości nasypowej, logistyki, dostępnej przestrzeni, strategii czyszczenia i wymaganej zdolności produkcyjnej.
Projektowanie higieniczne uzupełnia technikę mieszania. Bezszczelinowo spawane i szlifowane komory mieszania i narzędzia mieszające, wały łożyskowane wyłącznie od góry bez dolnego przepustu wału w obszarze produktu, duże drzwi inspekcyjne CleverCut® z uszczelnieniami OmgaSeal® oraz elementy wylotowe o niskiej liczbie stref martwych poprawiają dostępność, czyszczenie i zmianę produktu. Zintegrowane lance myjące lub w pełni automatyczne czyszczenie na mokro mogą wspierać procesy czyszczenia na sucho i na mokro. W zależności od projektu wykonanie może być dostosowane do wytycznych EHEDG oraz wytycznych higienicznych FDA i norm 3-A Sanitary Standards.