Jak zabezpieczyć skalowanie z 20-litrowych wsadów laboratoryjnych do produkcji 2.000 litrów bez utraty jakości mieszania?
Zabezpieczone skalowanie opiera się na połączeniu podobieństwa geometrycznego, doboru odpowiednich, istotnych procesowo liczb charakterystycznych oraz weryfikacji pomiarowej i modelowej w skali pośredniej i produkcyjnej. Celem jest zachowanie powtarzalnej jakości mieszania mimo zwiększenia skali o czynnik 100.
Zapewnienie podobieństwa geometrycznego
Geometria zbiornika, mieszadła i elementów wbudowanych powinna być w obu skalach wykonana możliwie proporcjonalnie, aby obrazy przepływu, strefy martwe i zachowanie podczas przemieszczania pozostały porównywalne. Należą do tego zwłaszcza takie stosunki, jak średnica zbiornika do wysokości napełnienia, średnica mieszadła do średnicy zbiornika, a także położenie elementów wbudowanych i dopływów.
Ustalenie właściwej wielkości skalowania
Nie istnieje uniwersalne kryterium skalowania; decydujący jest cel procesu. Typowymi punktami odniesienia są jednostkowy wkład mocy P/V, prędkość na końcówce mieszadła, czas mieszania, liczba Reynoldsa, liczba Froude'a oraz, przy procesach dyspersyjnych lub zdominowanych przez reakcję, także lokalna dyssypacja energii. Nie wszystkie liczby charakterystyczne dają się jednocześnie utrzymać na stałym poziomie, dlatego dominującą wielkość docelową należy dobierać specyficznie dla danego procesu.
Analiza reżimu mieszania
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.
Przed przeniesieniem do skali produkcyjnej należy wyjaśnić, czy proces jest ograniczony przede wszystkim przez mikromieszanie, mezomieszanie czy makromieszanie. Przy szybkich reakcjach, strącaniach lub wrażliwych zawiesinach decydująca jest często lokalna sytuacja ścinania i dyssypacji w pobliżu mieszadła, a nie tylko średni czas mieszania.
Wykorzystanie skali pośredniej i redukcja ryzyka
Bezpośredni skok z 20 l do 2000 l jest technicznie możliwy, lecz obarczony ryzykiem. Skala pilotowa lub skala centrum prób w zakresie około 100 do 300 l pozwala sprawdzić wybraną regułę skalowania, wcześnie rozpoznać odchylenia oraz zweryfikować parametry, takie jak prędkość obrotowa, pobór mocy i czas mieszania.
Zastosowanie CFD i DoE
Symulacje CFD pomagają ocenić profile przepływu, strefy martwe, przepływy zwarciowe i gradienty ścinania w skali docelowej, zanim zostaną wprowadzone kosztowne zmiany instalacji. W połączeniu z Design of Experiments można systematycznie zbadać krytyczne wielkości wpływające i zdefiniować odporne okna pracy.
Obiektywny pomiar jakości mieszania
Rzeczywista jakość mieszania powinna być zabezpieczona nie tylko obliczeniowo, lecz także analitycznie procesowo, na przykład poprzez pomiary in-line przewodności, mętności, sygnałów spektroskopowych lub innych sygnałów PAT. Jako wskaźniki służą przy tym na przykład współczynnik zmienności i zmierzony czas mieszania, aby ilościowo ocenić stan w skali produkcyjnej.
Uwzględnienie termicznych i eksploatacyjnych warunków brzegowych
Wraz ze wzrostem objętości pogarsza się stosunek powierzchni wymiany ciepła do objętości, przez co ogrzewanie i chłodzenie stają się wolniejsze. Dodatkowo do projektu należy uwzględnić punkty dozowania, napowietrzanie, poziom napełnienia, zachowanie przy rozruchu i zatrzymaniu oraz zmiany reologiczne produktu, ponieważ mogą one wyraźnie wpływać na jakość mieszania w dużej skali.
Stosowanie jednolitych definicji pojęć i procesu
Dla wiarygodnego przeniesienia stosowane pojęcia, wielkości docelowe i kryteria akceptacji powinny być jednoznacznie zdefiniowane i stosowane jednolicie w całym kontekście rozwoju i produkcji. Zmniejsza to pole interpretacji i ułatwia techniczne zwolnienie skalowania.
Odporne skalowanie powstaje więc nie dzięki pojedynczej liczbie charakterystycznej, lecz dzięki skoordynowanemu połączeniu geometrii, doboru liczb charakterystycznych, skali pośredniej, symulacji, PAT i jasnych kryteriów akceptacji.
W ten sposób amixon® zabezpiecza skalowanie z centrum prób do produkcji: zasada mieszania jest identyczna we wszystkich skalach
Rdzeń podejścia amixon® polega na tym, że mieszalniki próbne i produkcyjne pracują z tym samym systemem mieszania. Wstęgowe mieszadło SinConcave®/SinConvex® transportuje materiał mieszany na obwodzie w górę, a w centrum ponownie w dół. Dzięki temu powstaje trójwymiarowe pełne przemieszczanie objętości o tej samej charakterystyce we wszystkich wielkościach.
Skalowanie odbywa się na podstawie zadania mieszania oraz wyników uzyskanych w małej skali lub w próbie w centrum prób, przy czym zawsze dąży się do idealnej jakości mieszania:
- taki sam czas mieszania lub czas taktu,
- taka sama tekstura,
- takie samo obciążenie cząstek,
- taka sama gęstość nasypowa,
- takie samo zachowanie przy płynięciu,
- taki sam rozkład wielkości cząstek,
- takie samo zachowanie przy napełnianiu i pakowaniu,
- oraz dalsze cele specyficzne dla danego produktu.
Skalowanie nie odbywa się wyłącznie poprzez prędkość obrotową lub prędkość obwodową, lecz na podstawie charakterystyki transportowej spiralnego narzędzia mieszającego.
Wszystkie wielkości konstrukcyjne są eksploatowane w podobnym oknie prędkości, z reguły przy niskich obrotach. Dzięki temu zachowany zostaje profil przepływu, mechaniczne obciążenie cząstek oraz miarodajne warunki podobieństwa.
Jakość mieszania niezależna od stopnia napełnienia
Mieszalniki amixon® osiągają bardzo wysoką jakość mieszania już przy niskim stopniu napełnienia. Jest to istotna zaleta przy skalowaniu, ponieważ jakość procesu nie stabilizuje się dopiero przy wąskiej granicy pełnego obciążenia. Dzięki temu wielkości wsadu w tym samym mieszalniku mogą być zmieniane bez konieczności każdorazowego zasadniczego kwestionowania jednorodności.
Drobny raster wielkości zamiast skoków skali
amixon® produkuje mieszalniki w bardzo drobnym rastrze wielkości konstrukcyjnych. Dzięki temu krok od zwalidowanej skali próbnej do wielkości docelowej można zaplanować bez twardych skoków katalogowych. Właśnie to zmniejsza ryzyko, że warunek podobieństwa zostanie utracony przez zbyt duży skok wielkości.
Walidacja przed inwestycją
W centrum prób amixon® gotowych jest 35 instalacji próbnych w różnych wielkościach. Próby przebiegają z produktem oryginalnym, przy realnych stopniach napełnienia oraz w przewidzianym zakresie temperatury i ciśnienia. Próby są wspólnie przeprowadzane, oceniane i dokumentowane z ekspertami amixon®. Dodatkowo dostępne są centra prób amixon® w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA.
Dla wszystkich maszyn amixon® obowiązuje ta sama podstawowa formuła do obliczania częstotliwości przemieszczania, czyli liczby obrotów mieszadła potrzebnych do pełnego obiegu całego wsadu w komorze mieszania:
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
- I_V: wyporowy strumień objętościowy lub strumień transportowy
- D/d: średnica zewnętrzna/średnica wewnętrzna spirali
- Φ: stopień napełnienia, odniesiony do objętości użytkowej
- S: skok spirali
- n: częstotliwość obrotów, w obrotach na sekundę
- ζ: współczynnik prędkości, zależny od narzędzia
amixon® ma w centrum prób zawsze do dyspozycji również duże aparaty testowe, do wsadów 3 m³ i większych. Jest to ważne, gdy trzeba odpowiedzieć na pytania dotyczące ciśnienia spiętrzenia oraz zaokrąglania cząstek i powstawania frakcji drobnej.
Dzięki temu czas mieszania, prędkość obwodowa i inne parametry procesu mogą zostać ustalone w sposób umożliwiający ich wiarygodne uwzględnienie w projekcie maszyny produkcyjnej. Wyraźnie zmniejsza to ryzyka techniczne i ekonomiczne przed inwestycją.
Produkcja w Paderborn jako fundament jakości
amixon® rozwija i produkuje wyłącznie w zakładzie w Paderborn przy dużej głębokości produkcji i wykorzystuje wyłącznie komponenty z Niemiec. Jako certyfikowany zakład spawalniczy z kwalifikacjami europejskimi, japońskimi, koreańskimi i amerykańskimi amixon® konstruuje każdy aparat jako egzemplarz jednostkowy na podstawie URS użytkownika. Kontrola jakości pozostaje w pełni we własnym domu, a każda specyfikacja jest udokumentowana aż do poziomu elementu.
Serwis w całym cyklu życia
Po uruchomieniu amixon® pozostaje przy boku użytkownika. Regularne inspekcje i zapobiegawcze utrzymanie ruchu zabezpieczają dostępność, na życzenie także z Predictive Maintenance. Wybrane części zużywające się są dostarczane już z pierwszą dostawą; większość części zamiennych jest magazynowana w Paderborn, a pozostałe w punktach serwisowych w Japonii i USA.
Wiele maszyn amixon® jest codziennie w użyciu od ponad 30 lat. Dzięki modernizacji i doposażeniu pozostają na najnowszym poziomie techniki.