Jakie parametry doboru są decydujące, aby przy dużych wsadach osiągnąć krótkie czasy mieszania i wysoką jakość mieszania?
Przy dużych wsadach krótkie czasy mieszania i wysoka jakość mieszania nie powstają wyłącznie dzięki maksymalnej prędkości obrotowej lub wysokiej mocy jednostkowej. Decydujące jest to, aby geometria zbiornika, narzędzie mieszające, stopień napełnienia, właściwości produktu, strategia dodawania i wyładunek były wzajemnie dopasowane tak, by całą objętość mieszaniny wielokrotnie, w kontrolowany i możliwie delikatny sposób przemieszczać. Ostateczny dobór musi zostać zabezpieczony z oryginalnym produktem i w realistycznych warunkach wsadu, ponieważ zwłaszcza przy 10 do 100 m³ niewielkie odchylenia w przepływie produktu, dozowaniu lub opróżnianiu mogą mieć istotny wpływ na jednorodność i przepustowość.
Zbiornik i stopień napełnienia
Geometria zbiornika musi umożliwiać trójwymiarowy ruch produktu i minimalizować strefy martwe. Stosunek wysokości do średnicy, kształt dna, promienie przejściowe, elementy wewnętrzne, odstępy od ściany oraz położenie wyładunku wpływają na to, jak szybko produkt ze wszystkich obszarów dociera do aktywnej strefy mieszania. Dla mieszalników do materiałów stałych nie istnieje jedna uniwersalnie obowiązująca wartość docelowa stosunku wysokości do średnicy; zależy ona od zasady mieszania. Cylindryczny mieszalnik pionowy, mieszalnik stożkowy, mieszalnik dwuwałowy i poziomy mieszalnik lemieszowy wymagają każdorazowo innych geometrii, aby wytworzyć pożądany przepływ produktu.
Również stopień napełnienia nie jest wartością uniwersalną. Wiele mieszalników swobodnego spadku i poziomych mieszalników do materiałów stałych pracuje z częściowo napełnionym zbiornikiem, ponieważ do przemieszczania produktu potrzebna jest wolna przestrzeń. Jako ogólny zakres orientacyjny wykorzystuje się często około 40 do 70 procent objętości zbiornika; przy przepełnieniu swobodna cyrkulacja maleje, a czas mieszania rośnie. Inne formy konstrukcyjne mieszalników mogą – w zależności od geometrii narzędzia i produktu – pracować sensownie także przy wyraźnie niższym lub wyższym stopniu napełnienia. Decydujące jest, aby dopuszczalny zakres został wykazany za pomocą prób mieszania dla konkretnej receptury.
Przy dużych wsadach masa wsadu jest równie ważna jak objętość. Mieszalnik o pojemności 50 m³ może przy gęstości nasypowej 0,2 t/m³ wymagać zupełnie innego doboru napędu i wyładunku niż przy 1,2 t/m³. Dobór musi zatem uwzględniać objętość użytkową, masę maksymalną, zakres gęstości nasypowej, obciążenia ścian, moment rozruchowy, zagęszczenie produktu oraz rzeczywiście przewidziane wahania wsadu.
Narzędzie i kinematyka
Dla krótkich czasów mieszania przy dużych wsadach cyrkulacja konwekcyjna jest zwykle najważniejszym mechanizmem. Narzędzie mieszające musi nie tylko lokalnie poruszać produktem, lecz włączać obszary brzegowe, denne, przy pokrywie i centralne w powtarzalną, trójwymiarową wymianę. W zależności od zadania w grę wchodzą narzędzia wężownicowe, taśmowo-śrubowe, łopatkowe, lemieszowe, taśmowe lub wielowałowe. Wybór zależy od kohezyjności, rozkładu wielkości cząstek, gęstości nasypowej, wilgotności, ściernego charakteru produktu, wrażliwości oraz wymaganej deaglomeracji.
Kształt narzędzia, ich liczba, zachodzenie na siebie stref mieszania oraz odstępy od ściany zbiornika decydują o czasie przemieszczenia całej objętości. Zbyt duże szczeliny przyścienne mogą powodować słabo wymieszane obszary brzegowe i narosty produktu. Zbyt małe szczeliny z kolei zwiększają ryzyko ścierania, łamania cząstek, wydzielania ciepła i niedopuszczalnie wysokich momentów rozruchowych. Przy produktach ściernych lub wrażliwych technicznie właściwy odstęp jest zatem zawsze kompromisem między działaniem mieszającym, zużyciem a ochroną produktu.
Prędkość obrotową i prędkość obwodową należy dobrać tak, aby powstał pożądany ruch produktu, bez sprzyjania rozdzielaniu się mieszaniny, zjawisku odśrodkowemu czy nadmiernemu ścinaniu. W obrotowych układach swobodnego spadku użyteczną liczbą charakterystyczną jest liczba Froude'a. Opisuje ona stosunek sił bezwładności do sił grawitacji: Fr=ω²R/g. Wraz ze wzrostem liczby Froude'a zmieniają się reżimy ruchu – od toczenia i kaskadowania aż po cataracting lub odśrodkowe. Zwykła wartość docelowa taka jak Fr≈1 nie jest jednak ogólnie zalecana dla wielkoobjętościowych mieszalników do materiałów stałych. Przy Fr=1 w wielu układach obrotowych zaczyna się już zjawisko odśrodkowe; dla delikatnego mieszania metodą swobodnego spadku stosuje się zwykle wyraźnie niższe wartości.
Jednostkowe wprowadzanie mocy P/V jest pomocną wartością porównawczą, lecz nie stanowi samodzielnie wystarczającego kryterium skalowania. Taka sama gęstość mocy nie gwarantuje automatycznie identycznych dróg produktu, czasów przebywania czy jakości mieszania. W układach ciekłych i pastowatych dobór uzupełniają liczba Reynoldsa i liczba Newtona. Liczba Reynoldsa charakteryzuje stosunek sił bezwładności do sił lepkości, natomiast liczba Newtona opisuje pobór mocy w zależności od narzędzia, prędkości obrotowej, gęstości i stanu przepływu. Dla suchych proszków natomiast kohezyjność, tarcie o ścianę, funkcja płynięcia, ruch cząstek, zawartość powietrza i skłonność do segregacji są często bardziej decydujące niż klasyczne liczby hydrodynamiczne.
Receptura i dozowanie
Właściwości składników decydują o tym, jak wymagające jest zadanie mieszania. Duże różnice w wielkości cząstek, ich kształcie lub gęstości nasypowej zwiększają ryzyko rozdzielania się mieszaniny. Drobne cząstki mogą perkolować między grubsze cząstki; gęstsze cząstki w usypiskach pod pewnymi warunkami wędrują raczej ku dołowi. Szeroki rozkład wielkości cząstek oraz różnice gęstości i stosunku wysokości spadku do średnicy zbiornika mogą nasilać segregację podczas napełniania i wyładunku.
W przypadku proszków kohezyjnych skłonność do rozdzielania się jest często mniejsza, jednocześnie mogą jednak wystąpić aglomeraty, mostki i nierównomierne zwilżenie. Wtedy może być konieczna intensywniejsza wymiana konwekcyjna lub miejscowo ograniczona deaglomeracja. Przy bardzo dobrze płynących proszkach na pierwszy plan wysuwa się natomiast najczęściej unikanie rozdzielania się mieszaniny. W odpowiednich recepturach celowe dodanie cieczy może wiązać drobne cząstki z grubszymi cząstkami nośnymi. Musi to być starannie dozowane, aby uniknąć lokalnego przewilgocenia, niepożądanych aglomeratów lub pogorszenia sypkości.
Miejsce i kolejność dodawania są przy dużych wsadach szczególnie ważne. Mikroskładniki, substancje czynne, pigmenty lub dodatki nie powinny trafiać w obszary brzegowe o słabym przepływie, lecz być dozowane do aktywnej strefy mieszania. Przy bardzo niskich udziałach dozowania mogą być konieczne premiksy geometryczne. Czas trwania dozowania i moment jego rozpoczęcia muszą być dopasowane do czasu przemieszczenia mieszalnika. Bardzo szybkie dodanie do miejscowo ograniczonego obszaru może wytworzyć szczyt stężenia, który nie zawsze da się niezawodnie rozpuścić nawet przez dłuższe mieszanie.
Wyładunek i skalowanie
Wysoka jakość mieszania ma znaczenie procesowe tylko wtedy, gdy zostaje zachowana podczas wyładunku i dalszego transportu. Wyładunek powinien być zaprojektowany tak, aby preferencyjnie powstawał przepływ masowy. Przy przepływie masowym materiał porusza się w kierunku wylotu na całym przekroju zbiornika; może to ograniczać segregację w porównaniu z przepływem kanałowym lub rdzeniowym. Geometria leja zaprojektowana pod przepływ masowy, wystarczająco duże przekroje wylotowe, dopasowane nachylenie ścian oraz odpowiednio dobrany organ wyładowczy są dlatego kluczowymi wielkościami doboru.
Wysokości spadku, punkty przekazania, przenośniki taśmowe, przewody transportu pneumatycznego i zbiorniki buforowe muszą być również uwzględnione. Duże odcinki swobodnego spadku mogą powodować klasyfikację według toru lotu i wielkości. Wibracje, przepływy powietrza i wielokrotne przesypywanie mogą ponownie pogorszyć jednorodność uzyskaną w mieszalniku. Przy krytycznych recepturach konieczne są zatem rozłożone w czasie próbki podczas wyładunku oraz w ostatnim istotnym miejscu procesu.
Skalowanie nie może opierać się na pojedynczej liczbie charakterystycznej. Podobieństwo geometryczne, liczba Froude'a, prędkość obwodowa, jednostkowe wprowadzanie mocy, liczba obrotów narzędzia i czas przemieszczenia mogą być, w zależności od zasady mieszania, sensownymi wielkościami porównawczymi. Mogą one jednak realizować różne cele i nie zawsze da się je utrzymać jednocześnie na stałym poziomie. Zwłaszcza przy materiałach stałych sensowne jest zatem połączenie modelowania, na przykład CFD lub DEM, z reprezentatywnymi próbami mieszania. Symulacja może uwidocznić krytyczne strefy, drogi produktu i potencjalne mechanizmy rozdzielania się mieszaniny; musi ona jednak zostać zwalidowana danymi pomiarowymi rzeczywistego produktu.
Krótkie czasy mieszania i wysoka jakość mieszania przy dużych wsadach powstają wtedy, gdy narzędzie mieszające w sposób kontrolowany i powtarzalny przemieszcza całą objętość produktu. Właśnie na to zaprojektowane są mieszalniki pionowe i stożkowe amixon® VM, HM i AM z narzędziami mieszającymi SinConvex®. Produkt jest transportowany w obszarze przyściennym ku górze, w centrum spływa pod wpływem grawitacji w dół i następnie jest ponownie kierowany do aktywnej strefy mieszania. To trójwymiarowe całkowite przepłynięcie łączy ze sobą wszystkie obszary produktu i zmniejsza ryzyko powstawania słabo wymieszanych stref brzegowych lub centralnych.
W pionowym mieszalniku dwuwałowym amixon® HM nakładają się na siebie dwa strumienie produktu. Może to, przy odpowiedniej recepturze, właściwym stopniu napełnienia i dopasowanej prędkości obrotowej, umożliwić szczególnie krótkie czasy mieszania. Standardowy szereg konstrukcyjny obejmuje wielkości do około 20 000 litrów; większe aparaty mogą być wykonane projektowo do około 50 m³. Mieszalnik KoneSlid® KS pracuje również z aktywnym, trójwymiarowym wymuszonym przemieszczaniem. Cała objętość wsadu może zostać jednokrotnie przemieszczona po około czterech obrotach narzędzia. W zależności od produktu, stopnia napełnienia, docelowej jednorodności i koncepcji zasypu zamierzoną jakość mieszania można osiągnąć po około 20 do 40 obrotach. Wartości te nie stanowią jednak uniwersalnego dowodu wydajności, lecz muszą być zwalidowane z oryginalnym produktem.
Wielkość wsadu nie decyduje sama w sobie o czasie mieszania ani o jakości mieszania. Istotne są również gęstość nasypowa, stopień napełnienia, rozkład wielkości cząstek, kształt cząstek, kohezyjność, wilgotność, struktura aglomeratów, udziały dozowania oraz wymagana ochrona produktu. Przy dużych różnicach gęstości nasypowej lub wielkości ziaren rozdzielanie się mieszaniny może wystąpić podczas wyładunku, na odcinkach spadku lub przy dalszym transporcie. Geometria zbiornika i sam mieszalnik nie zapobiegają temu w sposób generalny. Krótki czas mieszania jest zatem korzyścią procesową tylko wtedy, gdy jednorodność zostaje zachowana aż do napełniania.
Mieszalniki amixon® mogą, w zależności od formy konstrukcyjnej i produktu, pracować w szerokim zakresie stopnia napełnienia od około 10 do 100 procent objętości użytkowej. Czy technicznie idealna mieszanina losowa jest rzeczywiście osiągana w całym tym zakresie, trzeba potwierdzić dla konkretnej receptury. Zwłaszcza przy małych ilościach napełnienia, mocno różniących się składnikach lub dodatkach o niskiej dawce wymagany czas mieszania i jednorodność mogą się zmieniać. Dla bardzo dużych wsadów w zakresie około 10 do 100 m³ dostępny jest Gyraton® GM. Dobór może być ukierunkowany na szczególnie niską moc napędu i ochronę produktu albo na krótkie czasy mieszania z odpowiednio wyższym wprowadzaniem mocy.
Wyładunek jest decydującą częścią doboru całego procesu. Zysk czasowy uzyskany dzięki procesowi mieszania nie może zostać utracony przez długie czasy opróżniania lub następujące po nim rozdzielanie się mieszaniny. Elementy ComDisc® mogą wspierać daleko idące opróżnianie resztkowe i w kontrolowany sposób prowadzić produkt z obszarów przydennych w kierunku wylotu. W mieszalniku KoneSlid® KS opuszczany system zamknięcia może uwolnić duży przekrój wylotowy. Przy odpowiednio sypkich produktach umożliwia to szybkie opróżnianie w ciągu kilku sekund. Opróżnianie resztkowe do 99,98 procent należy jednak zawsze odnosić do konkretnego produktu, stopnia napełnienia i wykonania aparatu. Dla produktów kohezyjnych, wilgotnych lub przylegających zachowanie się przy opróżnianiu może być inne.
Armatury DosiFlap® wspierają dozujące napełnianie kolejnych gebindów o niskiej liczbie stref martwych. Czy opróżnianie i napełnianie rzeczywiście przebiega bez rozdzielania się mieszaniny, trzeba sprawdzić na całej drodze procesowej. Należą do niej wylot mieszalnika, wysokości spadku, punkty przekazania, organy transportowe, zbiorniki wagowe, big bagi, kontenery IBC lub maszyny pakujące. Przy krytycznych recepturach podczas całego wyładunku powinny być pobierane i analizowane próbki rozłożone w czasie.
Ochronę produktu wspiera stosunkowo niskoobrotowy sposób mieszania. Prędkość obwodowa narzędzi mieszających może być ustawiana, w zależności od mieszalnika i zadania, w zakresie mniej więcej od 0,8 do 3,5 m/s. Wymuszone przemieszczanie SinConvex® wywołuje działanie mieszające poprzez ciągły ruch produktu i unika wyraźnych stref rzutu, uderzenia czy zgniatania. Dzięki temu wrażliwe cząstki, powlekane granulaty lub aglomeraty instant mogą być homogenizowane przy ograniczonym wprowadzaniu energii mechanicznej i cieplnej. Jeśli wymagana jest celowa deaglomeracja, rotory tnące mogą być dołączane lokalnie i przez ograniczony czas. Dzięki temu intensywność można skoncentrować na rzeczywiście wymaganej fazie procesu, nie poddając całego wsadu trwale wysokiemu obciążeniu.
Dla solidnego doboru czas mieszania, prędkość obrotowa, stopień napełnienia, kolejność zasypu, strategia dozowania i warunki wyładunku są badane w centrum prób amixon® z oryginalnym produktem. Oceniana jest przy tym nie tylko jednorodność i czas mieszania, ale również ochrona produktu, wprowadzanie energii, deaglomeracja, opróżnianie resztkowe, ryzyko rozdzielania się mieszaniny, czyszczalność i powtarzalność. Udokumentowane wyniki stanowią podstawę planowania czasu taktu, przepustowości i zdolności produkcyjnych przed dokonaniem inwestycji.
Konstrukcja higieniczna wspiera bezpieczne przetwarzanie przy częstych zmianach produktu i wysokich wymaganiach jakościowych. Bezszczelinowo spawane i szlifowane komory mieszania, mieszadła łożyskowane wyłącznie od góry bez dolnego przepustu wału w obszarze produktu, duże drzwi inspekcyjne CleverCut® z uszczelnieniami OmgaSeal®, elementy wylotowe o niskiej liczbie stref martwych oraz zintegrowane lance myjące ułatwiają dostępność, czyszczenie i walidację. Dzięki temu czyszczenie na sucho i na mokro można realizować w sposób dostosowany do procesu. W zależności od projektu możliwe są wykonania zgodne z EHEDG oraz z uwzględnieniem wytycznych higienicznych FDA i norm 3-A Sanitary Standards.