Jak wygląda modelowa struktura dla przesiewania, dozowania-ważenia, mieszania i wyładunku produktu bez rozdzielania się mieszaniny?
Modelowa struktura opiera się na zasadzie: jak najmniej przekazań produktu, możliwie krótkie odcinki swobodnego spadku i kontrolowany strumień masy od surowca aż po opakowanie. Każdy dodatkowy stopień transportu, każdy silos, każdy zsyp i każdy swobodny spadek może sprzyjać segregacji, ścieraniu, tworzeniu się pyłu lub zanieczyszczeniu krzyżowemu. Szczególnie krytyczne są mieszaniny o dużych różnicach w wielkości cząstek, gęstości nasypowej, kształcie lub zachowaniu przepływowym.
Poniższa struktura opisuje praktyczny układ referencyjny dla wsadowych i ciągłych procesów proszkowych. Rzeczywisty dobór musi zostać dostosowany do produktu, wymagań higienicznych, wydajności, receptury i ochrony przeciwwybuchowej.
Modelowa struktura procesu
Przygotowanie surowca → przesiewanie → buforowanie i dozowanie-ważenie → zdefiniowane podawanie produktu → mieszalnik → łagodny wyładunek → krótkie, zamknięte przekazanie → napełnianie lub proces kolejny
Na początku znajdują się przyjęcie surowca i magazynowanie w odpowiednich opakowaniach, małych pojemnikach, big bagach, workach lub silosach. Przygotowanie surowca powinno już wspierać późniejszą dokładność dozowania. Należą do tego stabilna gęstość nasypowa, ograniczona wilgotność, możliwie równomierna wielkość ziarna oraz opróżnianie opakowań dostosowane do produktu. Przy proszkach kohezyjnych lub skłonnych do sklepiania wymagane są odpowiednie pomoce wyładowcze, na przykład mieszadła, elastyczne ścianki, pomoce wibracyjne lub specjalnie zaprojektowane organy wyładowcze. Te środki pomocnicze muszą być tak ustawione, aby stabilizowały dozowanie, nie niszcząc cząstek ani nie powodując przedwczesnej segregacji mieszaniny.
Przed dozowaniem sensowne jest często sito kontrolne. Usuwa ono ciała obce, resztki opakowań, twarde grudki lub niepożądane nadziarno. Sito powinno być umieszczone możliwie wcześnie w procesie i przed precyzyjnym dozowaniem. Przy wrażliwych granulatach lub płatkach zbożowych przesiewacz musi być dobrany szczególnie łagodnie, aby sam nie powodował ścierania i łamania ziarna. Separatory magnetyczne lub metalowe mogą być stosowane dodatkowo, gdy spodziewane są metaliczne ciała obce z surowców lub techniki transportowej.
Po przesianiu każdy surowiec trafia do małego, dostosowanego do produktu zbiornika pośredniego lub bezpośrednio do stacji dozowania. Długiego magazynowania w dużych silosach pośrednich po przesianiu należy w miarę możliwości unikać, ponieważ materiał może się tam ponownie segregować przy napełnianiu, wibracji i opróżnianiu. Jeżeli buforowanie pośrednie jest nieuniknione, zbiornik powinien być dobrany na przepływ masowy (mass flow), czyli możliwie równomierny ruch całego przekroju produktu. Przepływ masowy może ograniczać segregację przy wyładunku, nie gwarantuje jednak w pełni jednorodnego opróżniania, jeżeli mieszanina została już rozdzielona bocznie lub według wielkości ziarna podczas napełniania.
Dozowanie odbywa się grawimetrycznie, gdy dokładność receptury i powtarzalność są istotne. Do procesów wsadowych odpowiednie są ważenia grawimetryczne w zbiorniku wagowym lub w mieszalniku stojącym na czujnikach wagowych. Główne komponenty są przy tym często wprowadzane w fazie zgrubnej, a następnie w fazie dokładnego dozowania. Dokładne dozowanie zmniejsza przekroczenia i zwiększa dokładność ważenia. Po każdym komponencie należy zaplanować wystarczający czas na uspokojenie sygnału wagowego; elastyczne przyłącza, odsprzężenie wibracyjne i pyłoszczelne odpowietrzenie zapobiegają zakłócaniu sygnału wagowego przez siły zewnętrzne lub wahania ciśnienia.
Do procesów ciągłych szczególnie odpowiednie są dozowniki grawimetryczne typu loss-in-weight, w skrócie LIW. Zbiornik dozujący i organ wyładowczy stoją na czujnikach wagowych; sterowanie reguluje obroty wyładunku na podstawie zmierzonego ubytku masy w czasie. Dzięki temu kontrolowany jest rzeczywisty strumień masy, a nie tylko obroty ślimaka dozującego. Dozowniki LIW są szczególnie pomocne, gdy gęstość nasypowa, poziom napełnienia lub zachowanie przepływowe mogą się wahać. Ich koncepcja uzupełniania jest jednak krytyczna: podczas uzupełniania grawimetryczny tryb pomiarowy jest zwykle tymczasowo przerywany i zastępowany dozowaniem objętościowym wspomaganym modelem. Proces uzupełniania, wielkość zbiornika, prędkość uzupełniania i późniejsza stabilizacja muszą być zatem dopasowane do wymaganego strumienia masy i dopuszczalnego odchylenia dozowania.
Przy komponentach małoilościowych, takich jak aromaty, substancje czynne, witaminy, barwniki czy mikroelementy, zadanie dozowania jest szczególnie wymagające. Powinny być one dozowane możliwie blisko mieszalnika, aby po dodaniu następował już tylko krótki odcinek transportu. Przy bardzo małych ilościach może być konieczna mieszanka wstępna z odpowiednim nośnikiem. Komponent nośnikowy powinien mieć możliwie podobne właściwości cząstek jak komponenty główne, aby premix nie segregował się ponownie podczas podawania i w mieszalniku.
Łączenie zdozowanych komponentów przed mieszalnikiem musi przebiegać spokojnie i w sposób kontrolowany. Wspólny lej zbiorczy nie może prowadzić do wysokiego, niekontrolowanego spadku produktu ani do wstępnej segregacji. Korzystne są krótkie, możliwie pionowe i pyłoszczelne przekazania o dużym przekroju. Długich, ukośnych zsypów, płyt odbojowych, wysokich odcinków swobodnego spadku i szybko obracających się ślimaków transportowych należy unikać lub stosować je tylko po próbach z produktem. Mogą one powodować ścieranie, separować duże i małe cząstki lub powodować pulsację strumienia produktu.
Mieszalnik musi być dopasowany do mieszanego materiału i zadania mieszania. Powinien niezawodnie obejmować cały wsad, nie powodując nadmiernego ścinania, łamania cząstek ani lokalnego przemieszania. Ważne są zdefiniowany zakres roboczy stopnia napełnienia, odpowiednia geometria narzędzia, powtarzalne obroty oraz czas mieszania ograniczony do najwcześniejszego momentu osiągnięcia wystarczającej jednorodności. Przy dodawaniu cieczy dysze natryskowe należy umieszczać w wystarczająco poruszanej strefie produktu. Wielkość kropli, natężenie natrysku, lepkość i intensywność mieszania muszą być tak dobrane, aby nie powstawało lokalne przewilgocenie, zbrylanie ani narosty.
Po wymieszaniu wyładunek produktu jest często najbardziej krytycznym etapem dla segregacji. Idealnie mieszanina jest przekazywana bez magazynowania pośredniego bezpośrednio z mieszalnika do kolejnego procesu lub napełniania. Wylot powinien być wystarczająco duży, aby umożliwić równomierny strumień masy o niskiej pulsacji. Kontrolowany przepływ masowy w zbiorniku wyładowczym lub mieszalniku zmniejsza ryzyko, że początkowo wyładowywane są tylko określone frakcje. Duże stożki nasypowe, długie odcinki spadku, silnie nachylone zsypy, wibracje transportowe i transport pneumatyczny mogą ponownie pogorszyć dobrą mieszaninę. Dlatego szyby przekazujące powinny być krótkie, pionowe, o gładkich ściankach i możliwie wolne od nagłych zmian przekroju.
Jeżeli zbiornik pośredni po mieszalniku jest nieunikniony, powinien być możliwie mały i służyć tylko jako krótkotrwały bufor. Jego dobór musi umożliwiać równomierne opróżnianie. Przepływ lejowy (funnel flow), czyli przepływ rdzeniowy ze stojącymi strefami brzegowymi, może wzmacniać segregację i zatrzymywać stare resztki produktu. Przepływ masowy jest zwykle lepszą podstawą wyjściową, musi jednak zostać potwierdzony testami z rzeczywistą mieszaniną. Problematyczne może być również całkowite opróżnianie, jeżeli przy ostatniej części produktu frakcje wyładowują się oddzielnie; proces zbiornika i napełniania należy zatem sprawdzić pod kątem jednorodności w całym przebiegu opróżniania.
Sterowanie i jakość
Sterowanie powinno rejestrować wszystkie zważone ilości, czasy dozowania, zadane i rzeczywiste strumienie masy, czas mieszania, obroty, ilości cieczy oraz w razie potrzeby temperaturę. W instalacjach ciągłych kluczowa jest regulacja proporcji wszystkich strumieni dozowania względem komponentu głównego. W procesach wsadowych sensowne są zarządzanie recepturami, kontrole wiarygodności, zwolnienia po ważeniu oraz kompletna dokumentacja wsadów.
Zapewnienie jakości nie ogranicza się do próbki z mieszalnika. Musi ono także oceniać jednorodność na początku, w środku i na końcu wyładunku. Istotnymi parametrami są współczynnik zmienności komponentu wskaźnikowego, rozkład wielkości ziarna, gęstość nasypowa, wilgotność, udział pyłu, udział frakcji łamanych oraz w razie potrzeby równomierność dodawania cieczy. Dopiero gdy te wartości pozostają stabilne w trakcie dozowania, mieszania, wyładunku i napełniania, proces jest rzeczywiście mało podatny na segregację.
W ten sposób amixon® łączy przesiewanie, dozowanie, mieszanie i wyładunek
Proces proszkowy o niskiej podatności na segregację zaczyna się od pyłoszczelnego i higienicznego połączenia wszystkich etapów procesu. Przesiewanie, dozowanie-ważenie, mieszanie, wyładunek i napełnianie powinny być połączone możliwie bez otwartych przekazań, długich zsypów czy zbędnych buforów pośrednich. Każdy dodatkowy odcinek spadku, każda wibracja i każdy punkt przesypywania mogą sprzyjać segregacji, ścieraniu lub uwalnianiu pyłu.
Mieszalniki amixon® mogą być wyposażone w gazoszczelne i pyłoszczelne interfejsy. Do połączenia z sitami, stacjami dozowania, filtrami, techniką transportową, stacjami big bag lub instalacjami napełniającymi dostępne są znormalizowane króćce oraz interfejsy dopasowane do projektu. W zastosowaniach o wysokich wymaganiach higienicznych decydujące są gładkie, dobrze dostępne i łatwe do czyszczenia połączenia. Tam, gdzie wymagane jest aseptyczne lub sterylizowalne prowadzenie procesu, można przewidzieć odpowiednie kołnierze sanitarne i higieniczne koncepcje przyłączeniowe. Konkretny wybór standardu kołnierza, uszczelnienia, materiału i metody czyszczenia zależy od produktu, poziomu ciśnienia, temperatury, koncepcji CIP lub SIP oraz wytycznych użytkownika.
Pionowa konstrukcja mieszalników amixon® umożliwia elastyczną wielkość wsadu. Narzędzia mieszające SinConvex® lub SinConcave® wytwarzają trójwymiarowy ruch produktu: mieszany materiał jest unoszony przy ścianie i spływa z powrotem w dół w obszarze centralnym. Dzięki temu działanie mieszające może zostać zachowane w szerokim zakresie stopnia napełnienia, o ile produkt, wykonanie narzędzia, obroty i czas mieszania są ze sobą skoordynowane. Dla szczególnie małych lub szczególnie dużych wsadów minimalny stopień napełnienia, przestrzeń odpowietrzająca, kolumna produktu, dodawanie cieczy i zachowanie przy wyładunku muszą mimo to zostać sprawdzone z produktem oryginalnym.
Po wymieszaniu wyładunek jest decydującym etapem dla jakości produktu. amixon® oferuje w tym celu różne koncepcje, które można dobierać zależnie od produktu, zadania napełniania i pożądanego strumienia masy.
Przy dozowanym lub porcjowanym wyładunku można zastosować armaturę DosiFlap®. Umożliwia ona według amixon® celowo ograniczony i przerywalny strumień produktu. Klapa może zamykać się wobec dopływającego materiału i tym samym zamykać mieszalnik od strony produktu. Dzięki temu produkt można na przykład dozowanie przekazywać do podłączonych dalej zbiorników wagowych, opakowań, big bagów lub maszyn napełniających. DosiFlap® jest zaprojektowana jako armatura wyładowcza z minimalną liczbą stref martwych; jej rzeczywista dokładność dozowania zależy jednak od zachowania przepływowego produktu, gęstości nasypowej, wielkości ziarna, przekroju wyładunku i nadrzędnej techniki ważenia.
Jeżeli wymagany jest szybki wyładunek strumieniowy, można zastosować mieszalnik KoneSlid®. Jego stożkowy element zamykający opuszcza się przy opróżnianiu i otwiera wielkopowierzchniowy spust denny. Dzięki temu mieszaninę można wyładować w krótkim czasie, bez pozostawania wyraźnego stożka nasypowego w komorze mieszania. amixon® opisuje wyładunek KoneSlid® jako pozbawiony segregacji przy niewielkim dalszym ruchu narzędzia mieszającego. Przydatność powinna zostać potwierdzona próbami, w szczególności przy mieszaninach o dużych różnicach w wielkości cząstek, gęstości nasypowej lub kształcie.
Także silos mieszający Gyraton® jest zaprojektowany dla wielkoobjętościowych wsadów z centralnym spustem dennym. Centralna armatura wyładowcza z minimalną liczbą stref martwych umożliwia bezpośredni strumień produktu do podłączonych dalej procesów. Mieszadło Gyraton® może podczas końcowego opróżniania pracować tak, że produkt w obszarze dennym jest dalej cyrkulowany, co wspiera równomierne opróżnianie. Czy mieszanina pozostaje pozbawiona segregacji przez cały przebieg wyładunku, zależy od receptury, właściwości cząstek, tempa wyładunku, techniki transportowej i kolejnego przekazania, i musi zostać sprawdzone indywidualnie dla procesu.
Dla pionowych mieszalników jednowałowych i dwuwałowych wyposażenie ComDisc® może wspierać końcowe opróżnianie. Elementy ComDisc® przesuwają się przy tym w ostatnim kroku wyładunku po obszarze dennym i przemieszczają pozostałe resztki produktu do wylotu. amixon® opisuje tę funkcję jako wsparcie dla daleko idącego opróżniania resztkowego bez segregacji. Osiągalna ilość resztkowa i brak segregacji zależą jednak zawsze od zachowania przepływowego, kohezji, wilgotności, zawartości tłuszczu i rozkładu wielkości ziarna produktu.
Higiena i zdolność do czyszczenia pozostają kluczowe przy wszystkich koncepcjach wyładunku. Drzwi inspekcyjne Clever-Cut® z uszczelnieniem OmgaSeal® umożliwiają według producenta uszczelnienie z minimalną liczbą stref martwych oraz dostęp do obszarów mających kontakt z produktem. W połączeniu z dostępnymi króćcami, higienicznymi uszczelnieniami i odpowiednim reżimem czyszczenia można ułatwić zmiany produktu, inspekcję wzrokową i konserwację.