Jak ocenić zdolność do mieszania systemu przy dużych różnicach gęstości wstępnie w skali laboratoryjnej?
Przy dużych różnicach gęstości zdolność mieszania w skali laboratoryjnej nie powinna być oceniana za pomocą jednej kontroli wzrokowej. Dla suchych materiałów sypkich wymagany jest ustrukturyzowany plan prób obejmujący charakteryzację materiału, kinetykę mieszania, przestrzennie i czasowo rozłożone pobieranie próbek oraz próby wyładunku i transportu. Przy układach ciecz-ciało stałe lub ciecz-ciecz dochodzą dodatkowo pomiary reologiczne, próby dyspergowania i sedymentacji oraz hydrodynamiczne liczby charakterystyczne.
Prawidłowa klasyfikacja układu
Najpierw należy rozróżnić, czy występuje układ ciało stałe-ciało stałe, ciało stałe-ciecz czy ciecz-ciecz. Pojęcia takie jak sedymentacja, śmietankowanie, lepkość, liczba Reynoldsa, Archimedesa lub Richardsona są istotne przede wszystkim dla cieczy, zawiesin i emulsji. Dla suchych proszków i granulatów na pierwszy plan wysuwają się natomiast wielkość cząstek, kształt cząstek, gęstość nasypowa, kohezyjność, tarcie o ścianę, wilgotność, efekty elektrostatyczne, zawartość powietrza i zachowanie płynięcia.
Przy suchych materiałach sypkich o dużych różnicach gęstości nasypowej krytyczna nie jest wyłącznie sama gęstość. Szczególnie niebezpieczne dla rozdzielania się mieszaniny jest połączenie różnych wielkości cząstek, kształtów i gęstości nasypowych. Drobne cząstki mogą perkolować w dół między grubszymi cząstkami; okrągłe cząstki toczą się na stożkach usypowych dalej niż płaskie lub włókniste składniki; różne prędkości opadania powodują separację torów lotu. Mieszanina może zatem po zmieszaniu wydawać się jednorodna i dopiero przy opróżnianiu, transporcie lub napełnianiu ponownie się rozdzielić.
Wstępna ocena zaczyna się zatem od możliwie pełnej charakteryzacji każdego składnika. Należą do niej rozkład wielkości cząstek, kształt cząstek, gęstość rzeczywista, gęstość nasypowa i po ubijaniu, wilgotność, kohezyjność, tarcie o ścianę, funkcja płynięcia oraz w razie potrzeby zachowanie elektrostatyczne. Dla kohezyjnych proszków można zastosować aparat ścinający Jenike'a do wyznaczenia funkcji płynięcia, tarcia wewnętrznego, kohezji i tarcia o ścianę. Dla bardzo niskich udziałów dozowania należy ponadto oszacować liczbę cząstek znacznikowych na istotną wielkość próbki oraz siłę wymowy statystycznej późniejszej analityki.
Prawidłowe zaplanowanie próby laboratoryjnej
Próba laboratoryjna powinna być przeprowadzana możliwie z tą samą kinematyką mieszania, jaka jest przewidziana dla mieszalnika produkcyjnego. Przezroczysty zbiornik demonstracyjny może być pomocny, ale nie zastępuje próby w geometrycznie i kinematycznie reprezentatywnej instalacji testowej. Zwłaszcza przy materiałach sypkich tarcie o ścianę, geometria narzędzia, stopień napełnienia, wysokość spadku i forma wyładunku mogą silnie wpływać na zachowanie.
Plan prób powinien celowo zmieniać kilka czynników: stopień napełnienia, prędkość obrotową, czas mieszania, kolejność dodawania surowców, miejsce dozowania mikroskładników, ewentualne dodawanie cieczy oraz warunki wyładunku. Sensowne jest badanie kinetyki mieszania z kilkoma punktami czasowymi. Po krótkim, średnim i długim czasie mieszania pobierane są za każdym razem próbki. Dzięki temu można rozpoznać, kiedy po raz pierwszy osiągana jest jednorodność i czy przy dalszym mieszaniu ponownie się pogarsza. Wynikiem nie powinna być pojedyncza wartość minimalna, lecz solidne okno procesowe.
Pobieranie próbek musi odbywać się w sposób rozłożony przestrzennie i czasowo. W mieszalnikach okresowych próbki są pobierane z różnych stref komory mieszania, o ile jest to możliwe bez zakłócenia mieszaniny. Jeszcze ważniejsze są próbki z początku, środka i końca wyładunku. Pozwala to rozróżnić, czy problem powstaje w komorze mieszania, czy dopiero podczas opróżniania i transportu. Dla pierwszej wiarygodnej statystyki stosuje się zazwyczaj co najmniej dziesięć pojedynczych próbek na punkt pomiarowy. Ze stężeń odpowiedniego składnika znacznikowego obliczane są wartość średnia, odchylenie standardowe i współczynnik zmienności:
CoV=s/x̄×100%
Obok CoV powinny być uwzględniane minimum, maksimum, rozstęp, zgodność z wartością zadaną oraz rozkład wartości na przestrzeni wyładunku. Dobry CoV po zakończeniu mieszania nie jest wystarczający, jeśli na przykład na początku wyładunku wydostają się przeważnie grube, ciężkie cząstki, a na końcu drobniejsze lub lżejsze frakcje.
Celowe sprawdzanie rozdzielania się mieszaniny
Dla suchych mieszanin niezbędny jest osobny test rozdzielania się mieszaniny. Po zmieszaniu produkt powinien zostać wyładowany w realistycznych warunkach, przetransportowany przewidzianą techniką transportową oraz w razie potrzeby napełniony do docelowego opakowania. Sprawdzeniu podlegają w szczególności swobodne odcinki spadku, tworzenie się stożków usypowych, przenośniki wibracyjne, taśmociągi, transport pneumatyczny, zbiorniki pośrednie oraz big bagi lub worki. Składniki o różnej wielkości, kształcie lub gęstości mogą na każdym z tych punktów ponownie się posortować.
Wyładunek i buforowanie powinny odbywać się możliwie zgodnie z przepływem masowym. Przy przepływie masowym materiał porusza się w kierunku wylotu na całym przekroju. Może to zmniejszyć rozdzielanie się mieszaniny w porównaniu z przepływem rdzeniowym lub kanałowym. Wystarczająco duży wylot, odpowiednie kąty ścian, właściwe materiały ścian oraz korzystna pod względem przepływu armatura wyładowcza są zatem częścią oceny laboratoryjnej i pilotowej. Przy krytycznych mieszaninach próbki są analizowane nie tylko w mieszalniku, lecz po każdym istotnym etapie procesu.
Jeśli profil produktu na to pozwala, można sprawdzić celowe zwilżanie. Małe ilości odpowiedniego spoiwa mogą wiązać frakcje drobne z grubszymi cząstkami nośnymi i zmniejszać perkolację. Podejście to musi być jednak dostosowane do tekstury, wilgotności, płynności, trwałości, stabilności chemicznej i późniejszego przetwarzania. Alternatywnie sensowne może być wstępne zmieszanie krytycznych frakcji drobnych ze składnikiem nośnym.
Sensowne wykorzystanie liczb charakterystycznych
Dla suchych materiałów sypkich pomocnymi wartościami charakterystycznymi procesu są liczba Froude'a, jednostkowe wprowadzanie mocy, prędkość obwodowa narzędzia, stopień napełnienia, liczba obrotów narzędzia, czas cyrkulacji i czas mieszania. Liczba Froude'a wiąże siły bezwładności i grawitacji. Może być wykorzystywana szczególnie w mieszalnikach obrotowych do opisu reżimu ruchu. Wysoka liczba Froude'a nie jest jednak automatycznie korzystna: przy zbyt wysokich prędkościach obrotowych cząstki mogą być dociskane odśrodkowo do ściany, silniej się zużywać lub ponownie się rozdzielać w zależności od wielkości i gęstości. Dla mieszanin stałych nie istnieje zatem uniwersalna wartość graniczna liczby Froude'a, która pewnie zapobiegałaby rozdzielaniu się mieszaniny.
Dla układów zawiesinowych i ciecz-ciecz istotne są dodatkowo liczba Reynoldsa, Froude'a, Archimedesa oraz, w zależności od zagadnienia, liczba Richardsona. Liczba Reynoldsa opisuje stosunek sił bezwładności do sił lepkości i pomaga w klasyfikacji przepływu laminarnego lub turbulentnego. Liczba Froude'a jest istotna, gdy występują swobodne powierzchnie, tworzenie się wirów lub zjawiska zdominowane przez grawitację. Liczba Archimedesa wspiera ocenę zachowania wyporu i sedymentacji. Liczba Richardsona opisuje stosunek uwarstwienia gęstościowego do turbulentnego wymieszania, ale nadaje się przede wszystkim dla uwarstwionych układów cieczowych, a nie dla suchych materiałów sypkich.
W zawiesinach ciało stałe-ciecz ważną wielkością doświadczalną jest prędkość progowego zawieszenia Njs według Zwieteringa. Oznacza ona najniższą prędkość obrotową mieszadła, przy której żadne cząstki nie pozostają dłużej niż około jedną do dwóch sekund na dnie zbiornika. Jest ona wyznaczana wizualnie i stanowi uznaną podstawę do projektowania zbiorników z mieszadłem oraz doboru odpowiednich narzędzi mieszających. Przy wysokich stężeniach fazy stałej korelacja Zwieteringa nie powinna być jednak przyjmowana bezkrytycznie, ponieważ dla gęstych zawiesin przemysłowych może zaniżać wymagane wprowadzanie energii.
Dla układów ciecz-ciecz dodatkowo oceniane są rozkład wielkości kropli, przestrzenny rozkład fazy rozproszonej, skłonność do koalescencji oraz rozdział faz po wyłączeniu mieszadła. Ważne są przy tym czas do pojawienia się widocznej granicy faz, stabilność dyspersji oraz zmiana wielkości kropli w czasie mieszania.
Zabezpieczenie scale-up
Scale-up nie może być przeprowadzany przy niezmienionej prędkości obrotowej. Wraz ze wzrostem średnicy zbiornika zmieniają się prędkość obwodowa, pobór mocy, przepływ, wysokość spadku oraz oddziaływanie z grawitacją. W zależności od układu jako punkt wyjścia mogą służyć stała prędkość obwodowa, stała liczba Froude'a, stałe jednostkowe wprowadzanie mocy lub zdefiniowany czas cyrkulacji. Żadna z tych wartości charakterystycznych nie jest sama w sobie wystarczająca. Muszą one zostać połączone z podobieństwem geometrycznym, rzeczywistą geometrią narzędzia, zachowaniem produktu oraz wynikami prób mieszania, wyładunku i transportu.
Dla udokumentowanej wstępnej oceny zalecana jest macierz oceny. Powinna ona zawierać co najmniej badane receptury, stopnie napełnienia, prędkości obrotowe, czasy mieszania, kolejności dodawania, wskaźniki jednorodności, profile wyładunku, łamanie cząstek, rozdzielanie się mieszaniny po transporcie oraz wybrane dla scale-up wartości charakterystyczne procesu. Na tej podstawie mieszaninę można ocenić jako solidną, warunkowo solidną lub krytyczną oraz wyprowadzić program prób dla skali pilotowej lub produkcyjnej.
Jak amixon® opanowuje duże różnice gęstości i wielkości cząstek podczas mieszania
Przy dużych różnicach gęstości nasypowej, wielkości cząstek i zachowania płynięcia samo rozpatrywanie gęstości nie wystarcza. Zdolność mieszania musi zostać sprawdzona z oryginalnymi składnikami – łącznie z procesem mieszania, wyładunkiem, ewentualnym transportem i napełnianiem. Dla amixon® na pierwszym planie nie jest przy tym przypadkowy ruch swobodnego spadku, lecz kontrolowane, trójwymiarowe przemieszczanie produktu przez narzędzie mieszające taśmowo-śrubowe SinConvex®/SinConcave®.
Narzędzie mieszające wymuszenie transportuje produkt w obszarze przyściennym ku górze. W centrum spływa on pod wpływem grawitacji ponownie w dół i jest ponownie kierowany do zewnętrznej strefy mieszania. Powstają dzięki temu powtarzające się obiegi produktu przez całą komorę mieszania. To konwekcyjne wymuszone przemieszczanie może być szczególnie korzystne przy recepturach o wyraźnie różniącej się gęstości nasypowej, wielkości cząstek i kształcie, ponieważ wszystkie składniki są nieustannie na nowo rozprowadzane przestrzennie. Prędkość obwodowa narzędzia mieści się, w zależności od formy konstrukcyjnej i zadania mieszania, typowo w stosunkowo niskim zakresie od około 0,8 do 3,5 m/s. Niskoobrotowy sposób pracy ogranicza obciążenie mechaniczne i zapobiega wyraźnym efektom odśrodkowym. Czy dzięki temu dla konkretnej receptury osiągana jest wystarczająca jednorodność i stabilna mieszanina, musi mimo to zostać wykazane w próbie.
Przykład bliski praktyce znajduje się w metalurgii proszków. Mieszalniki dwuwałowe amixon® z serii HM mogą tam homogenizować proszki metaliczne ze środkami wspomagającymi prasowanie, takimi jak stearynian cynku. Proszki metaliczne mogą przy tym wykazywać gęstości nasypowe około 4 kg/dm³, podczas gdy mydła metaliczne mają wyraźnie niższe gęstości nasypowe. Przy wielkościach cząstek w zakresie od około 2 do 70 µm powstają wysokie wymagania dotyczące równomiernego rozprowadzenia małych ilości dodatków. Seria HM pracuje z dwoma nakładającymi się strumieniami produktu i jest zaprojektowana pod duże wsady. Czy wielkość konstrukcyjna HM 16000 o pojemności 16 m³, inny model lub inna forma konstrukcyjna mieszalnika są sensowne dla konkretnej receptury, musi zostać ustalone na podstawie masy wsadu, gęstości nasypowej, udziału dodatku, ścierności, wymagań czystości oraz pożądanej wydajności.
Także silosowy mieszalnik Gyraton® GM jest interesujący dla dużych wsadów i heterogenicznych mieszanin. Może być zaprojektowany dla wsadów w zakresie około 10 do 100 m³ i nadaje się dla cząstek grubych oraz drobnych, różnych gęstości nasypowych, właściwości płynięcia i zawartości wilgoci. Jego dużą mocną stroną jest homogenizacja dużych wsadów na początku dłuższych tras procesowych. Wcześnie wytworzona, stabilna mieszanina wyjściowa może odciążyć kolejne etapy dozowania, transportu, kondycjonowania lub napełniania. Czy wymagana jakość mieszania jest osiągana w całym zakresie stopnia napełnienia od około 10 procent objętości użytkowej, musi jednak zawsze zostać potwierdzone dla konkretnej receptury.
Wstępna ocena zaczyna się w centrum prób od charakteryzacji materiału. Dla każdego składnika powinny zostać ustalone co najmniej rozkład wielkości cząstek, kształt cząstek, gęstość nasypowa, wilgotność, kohezyjność, funkcja płynięcia oraz w razie potrzeby tarcie o ścianę. Szczególnie ważna jest nie tylko wartość średnia wielkości cząstek, lecz szerokość rozkładu: frakcje drobne mogą perkolować między grubymi cząstkami i przy późniejszym ruchu wędrować w dół. Przy kohezyjnych proszkach aparat ścinający Jenike'a może pomóc w wyznaczeniu funkcji płynięcia, kohezji i tarcia o ścianę.
Właściwe próby mieszania powinny być przeprowadzane z oryginalnymi produktami i w realistycznych warunkach. Należą do nich planowany stopień napełnienia, rzeczywista kolejność dodawania, przewidziana prędkość obrotowa, czas mieszania, miejsca dozowania oraz w razie potrzeby dodawanie cieczy. W badaniu kinetyki mieszania sprawdzanych jest kilka czasów mieszania. Pozwala to ustalić, kiedy po raz pierwszy osiągana jest docelowa jednorodność i czy przy dłuższej obróbce lub zmienionym sposobie pracy ponownie się pogarsza. Wielkością docelową jest solidne okno procesowe, a nie po prostu najdłuższy czas mieszania.
Frakcje pyliste mogą często zostać związane z grubszymi cząstkami, jeśli do procesu mieszania celowo wprowadzone zostaną małe ilości odpowiedniej cieczy. Zmniejsza to liczbę swobodnie poruszających się drobnych cząstek; skłonność do perkolacji, a tym samym do późniejszego rozdzielania się mieszaniny, może zostać zredukowana. Warunkiem jest idealnie równomierne rozprowadzenie cieczy w całej masie materiału. Obok zgodności spoiwa z recepturą decydujące są w szczególności ilość dozowania, wielkość kropli, obraz rozpylania, miejsce dozowania, moment dodawania i następujący po nim czas mieszania. Zbyt małe ilości cieczy mogą nie zapewnić pożądanego związania, podczas gdy zbyt duże ilości mogą powodować lokalne przewilgocenie, niepożądane aglomeraty lub zmiany płynności, właściwości sensorycznych i trwałości.
Pobieranie próbek musi odbywać się w sposób reprezentatywny przestrzennie i czasowo. Próbki z różnych stref produktu są uzupełniane przez rozłożone w czasie próbki z wyładunku, zwłaszcza z początku, środka i końca opróżniania. Ze stężeń odpowiedniego składnika znacznikowego można wyznaczyć wartość średnią, odchylenie standardowe i współczynnik zmienności. CoV opisuje względny rozrzut stężeń:
CoV=s/x̄×100%
Niski CoV jest wskazówką dobrej jednorodności, ale nie wystarcza jako jedyny dowód. Dodatkowo muszą być uwzględniane zgodność z wartością zadaną, minimum i maksimum, profil wyładunku, łamanie cząstek, tworzenie się frakcji drobnej oraz w razie potrzeby stabilność po transporcie lub magazynowaniu. Zwłaszcza przy dużych różnicach gęstości nasypowej i wielkości cząstek dobra wartość w komorze mieszania nie jest jeszcze dowodem, że wszystkie opakowania po napełnieniu mają ten sam skład.
W centrum prób amixon® dostępnych jest 35 instalacji testowych w różnych wielkościach konstrukcyjnych. Dodatkowo istnieją centra prób w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. Próby są przeprowadzane z oryginalnym produktem, planowanymi stopniami napełnienia, realistycznymi wielkościami wsadów oraz przewidzianymi warunkami temperatury i ciśnienia. Oceniane są jakość mieszania, czas mieszania, ochrona produktu, wprowadzanie energii, deaglomeracja, opróżnianie resztkowe, czyszczalność, stabilność wyładunku i powtarzalność. Udokumentowane wyniki stanowią podstawę do technicznego projektowania mieszalnika produkcyjnego oraz definiowania późniejszych receptur w sterowniku PLC.
amixon® projektuje i produkuje aparaty w zakładzie w Paderborn z wysokim stopniem integracji produkcji. Każda maszyna jest projektowana na podstawie specyfikacji wymagań użytkownika (User Requirement Specification). Geometria zbiornika, narzędzie mieszające, materiały, powierzchnie, uszczelnienia, miejsca dozowania, koncepcja wyładunku, czujniki i automatyzacja mogą być dostosowane do danego spektrum produktów. Udokumentowana produkcja wspiera długoterminowe zaopatrzenie w części zamienne oraz powtarzalne późniejsze wytwarzanie komponentów.