Rzetelne skalowanie procesów mieszania dla materiałów sypkich wymaga systematycznego planowania prób, które uwzględnia podobieństwo geometryczne, kinematyczne i dynamiczne między skalą laboratoryjną, pilotową i produkcyjną. Celem jest odtwarzalne przeniesienie czasu mieszania, stopnia napełnienia i prędkości obrotowej narzędzia, tak aby zachować jakość mieszania, jednorodność i łagodność wobec produktu.

Podstawowe zasady i kryteria skalowania

Na początku ustala się krytyczne parametry procesu i dominujący cel mieszania, na przykład homogenizację, bezpieczeństwo przed segregacją, łagodność wobec produktu lub opróżnianie resztkowe. Na tej podstawie decyduje się, którą liczbę charakterystyczną utrzymuje się przy skalowaniu jako stałą, na przykład prędkość obwodową, liczbę Froude’a lub w odpowiednich przypadkach podejście oparte na energii.

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.

Ponieważ nie wszystkie liczby charakterystyczne mogą być jednocześnie stałe, kryterium podobieństwa trzeba dobrać zgodnie z priorytetem dominującego mechanizmu mieszania. Solidny plan prób obejmuje również próby blisko granic procesu, aby ocenić stabilność procesu w większej skali.

Podobieństwo geometryczne i stopień napełnienia

Stopień napełnienia ma duże znaczenie przy mieszalnikach proszków z poziomo łożyskowanym wałem mieszającym.

Dla niezawodnego przeniesienia decydujące jest podobieństwo geometryczne między skalami. Proporcje takie jak H do D, d do D oraz porównywalne odstępy od ściany i geometrie narzędzia powinny pozostawać możliwie stałe.

Stopień napełnienia wyraźnie wpływa na obraz przepływu, strefy martwe i pobór mocy. Przepełnienie sprzyja strefom martwym i może wydłużać czas mieszania, niedopełnienie może natomiast prowadzić do niekorzystnego zachowania obiegowego i zmniejszonego działania mieszającego. Zalecane jest dlatego zbadanie kilku stopni napełnienia w małej skali i następujące przeniesienie optymalnego zakresu.

Wyznaczanie i skalowanie czasu mieszania

Czas mieszania nie jest stałą wielkością, lecz funkcją prędkości obrotowej, geometrii i właściwości materiału. W małej skali kinetykę mieszania rejestruje się za pomocą krzywych jakości mieszania i definiuje docelowy poziom jednorodności, na przykład za pomocą współczynnika zmienności lub porównywalnej wielkości charakterystycznej.

Do przeniesienia w większą skalę czas mieszania jest zabezpieczany eksperymentalnie, a nie wyłącznie przeliczany rachunkowo. Zwłaszcza przy materiałach sypkich zachowanie usypowe, kohezja, różnice gęstości i rozkład wielkości cząstek są tak silnie zależne od produktu, że wartości doświadczalne są znacznie bardziej wiarygodne niż same wzory przybliżone.

Wyprowadzenie prędkości obrotowej narzędzia

Prędkość obrotowa narzędzia w skali docelowej wynika z wybranej zasady skalowania. Przy stałej prędkości obwodowej obowiązuje w przybliżeniu, że prędkość obrotowa maleje wraz z rosnącą średnicą. To postępowanie jest dla materiałów sypkich często szczególnie sensowne, ponieważ utrzymuje porównywalny wzorzec ruchu złoża i zapobiega nadmiernemu obciążeniu.

Obliczoną prędkość obrotową należy zawsze sprawdzić względem granic mechanicznych, specyficznej dla produktu wrażliwości i praktycznej stabilności procesu. Wybór prędkości obrotowej oparty wyłącznie na wartościach obliczeniowych zwykle nie wystarcza w przypadku proszków.

Planowanie prób, wielkości pomiarowe i walidacja

Dla rzetelnego skalowania sprawdza się strukturalny plan prób z czynnikami prędkość obrotowa, stopień napełnienia i czas mieszania. Ważnymi wielkościami pomiarowymi są pobór mocy, moment obrotowy, jakość mieszania, opróżnianie resztkowe oraz wielkości charakterystyczne związane z produktem, takie jak rozkład wilgotności, jednorodność lub struktura cząstek.

Po przeniesieniu do skali produkcyjnej następują próby walidacyjne, aby uchwycić rzeczywiste wahania surowca, obszary brzegowe stopnia napełnienia i faktyczne zachowanie ruchowe w dużej skali. Odchylenia są dokumentowane i wykorzystywane do udoskonalenia modelu skalowania.