У неоднородных сыпучих материалов с различной насыпной плотностью, размером частиц, формой и свойствами текучести решающее значение имеет не отдельный смесительный инструмент, а согласованное взаимодействие принципа смешивания, геометрии инструмента, дозирования, режима работы и концепции выгрузки. Особенно важно, чтобы система смешивания многократно вовлекала все области продукта в активную зону смешивания, а смесь затем по возможности выгружалась без участков падения, вибраций или неблагоприятной буферизации. Различия размера, формы и плотности частиц относятся к важнейшим причинам расслоения; оно может возникать во время смешивания, но особенно часто — при выгрузке и в последующих ёмкостях.

Подходящие принципы смешивания

При больших различиях насыпной плотности и свойств частиц активные конвективные системы смешивания во многих случаях подходят лучше, чем чистые смесители свободного падения. К ним относятся медленно или умеренно работающие лопастные, ковшовые, плужковые, спиральные и многовальные смесители. Они создают определённые потоки продукта и сокращают путь, который отдельные компоненты должны пройти для полного пространственного распределения. Однако то, какая концепция подходит лучше всего, существенно зависит от когезивности, абразивности, чувствительности частиц, целевого времени смешивания и партии.

Плужковые смесители способны создавать интенсивную механическую флюидизацию и целесообразны, когда когезивные порошки, агломераты или сложные малые компоненты необходимо быстро распределить. Однако высокая интенсивность смешивания может также способствовать разрушению частиц, истиранию, выделению тепла и при слишком долгой обработке — повторному расслоению. Поэтому они целесообразны только тогда, когда рецептура допускает такую нагрузку.

Двухвальные лопастные или ковшовые смесители создают наложенные друг на друга смесительные потоки и при подходящей геометрии инструмента могут обеспечивать короткое время смешивания. Они подходят для неоднородных смесей, когда одновременно требуются хорошее трёхмерное распределение и сравнительно ограниченная нагрузка на частицы. Для очень чувствительных гранулятов или склонных к разрушению компонентов следует особенно тщательно проверять скорость инструмента, угол лопасти, степень наполнения и выгрузку.

Вертикальные конусные или спирально-шнековые смесители выгодны, когда требуется бережная конвективная циркуляция продукта при переменной степени наполнения. Они могут хорошо подходить для продуктов, структуру которых необходимо максимально сохранить. Однако при сильно когезивных мелких частицах или прочных агломератах одного лишь спирального движения может быть недостаточно. В этом случае может потребоваться временно ограниченная ступень интенсивного смешивания или предварительное смешивание.

Корытные смесители с ленточными спиралями являются экономичным решением для хорошо текучих продуктов и умеренных различий компонентов. Однако при экстремальных различиях плотности или размера зерна повышается риск того, что циркуляция продукта не охватит все зоны в достаточной мере или что смесь вновь разделится при выгрузке. Смесители свободного падения, такие как двухконусные, V-образные или опрокидывающиеся смесители, особенно бережны, но подходят прежде всего для хорошо текучих, в значительной степени свободных от агломератов и достаточно схожих по свойствам частиц компонентов. При заметных различиях размера, формы или плотности им может требоваться более длительное время смешивания, и они склонны к расслоению.

Инструменты и опции

Лопасти и ковши с определённым углом установки способны комбинировать осевые, радиальные и тангенциальные потоки продукта. Целенаправленное расположение инструмента помогает охватить весь объём и избежать пристенных зон с малым содержанием продукта. Плужковые инструменты приподнимают продукт от стенки ёмкости и создают интенсивное поле течения. Спиральные и шнековые инструменты контролируемо транспортируют продукт вдоль стенки и направляют его в центральный обратный поток. Оптимальная форма инструмента не выводится напрямую из соотношения плотностей; она должна соответствовать структуре частиц, когезивности, абразивности и чувствительности частиц.

Пристенные скребки могут быть целесообразны для липких или влажных продуктов, чтобы ограничить налипание продукта на стенку ёмкости и днище. Однако для сухих абразивных порошков их необходимо рассчитывать так, чтобы они не создавали лишних зон трения и истирания. Регулируемые углы инструмента или сменные инструменты могут повышать гибкость при меняющихся рецептурах, но должны быть выполнены гигиенично, механически стабильно и с воспроизводимым позиционированием.

Измельчители, чопперы или ножевые головки целесообразны, когда когезивные агломераты необходимо целенаправленно раскрыть. Их не следует использовать постоянно как замену подходящей базовой кинематики смешивания. Временно ограниченное подключение на чётко определённой фазе процесса снижает нагрузку на всю партию. Особенно для чувствительных, покрытых или абразивных частиц следует проверять, оправдывает ли достигаемый эффект дезагломерации возможное разрушение частиц или истирание.

Точное дозирование жидкости в подходящих рецептурах может помочь связать тонкие доли с более крупными частицами-носителями и тем самым снизить перколяцию. Дозирующие копья, распылительные форсунки или двухкомпонентные форсунки должны вводить жидкость в активную зону смешивания. Количество, размер капель, продолжительность и момент дозирования необходимо контролировать, чтобы не возникали локальные переувлажнения, липкие гнёзда или нежелательные агломераты. Для продуктов, чувствительных к влаге или реагирующих с водой, такой подход, разумеется, не подходит.

Переменное регулирование частоты вращения через частотный преобразователь позволяет вести процесс в соответствии с задачей. Например, партию после загрузки можно сначала бережно гомогенизировать, затем кратковременно интенсивнее обработать для дезагломерации и после этого снова домешивать при низкой нагрузке. Время смешивания должно быть максимально коротким и лишь настолько долгим, насколько необходимо. Перемешивание сверх меры может у склонных к расслоению продуктов вновь ухудшать однородность.

Дозирование и выгрузка

При больших различиях плотности или размера частиц стратегия добавления часто так же важна, как и сам смеситель. Малые компоненты и мелкие частицы не должны попадать в застойные пристенные зоны, а должны контролируемо дозироваться в активный поток продукта. Геометрические предварительные смеси могут быть целесообразны, если высококонцентрированные добавки, красители, действующие вещества или очень тонкие компоненты необходимо распределить при низкой дозировке. Гравиметрические системы дозирования поддерживают воспроизводимое взвешивание и помогают отличать ошибки дозирования от фактических проблем смешивания.

Выгрузку необходимо рассматривать как часть задачи смешивания. Ёмкость с массовым потоком обеспечивает движение продукта по всему поперечному сечению, тогда как при течении по каналу или шахте отдельные области могут дольше оставаться неподвижными, а отдельные фракции — преимущественно выгружаться. Крутые углы стенок, подходящие материалы стенок, достаточно большие сечения выпускного отверстия и подходящий орган выгрузки способствуют массовому потоку. Благодаря этому снижаются как расслоение, так и образование сводов и мёртвых зон.

Свободные участки падения и резкие горизонтальные повороты следует минимизировать. Они способствуют расслоению по траектории, перекатыванию и перколяции. При пневматической транспортировке может быть выгодна бережная, более медленная транспортировка плотным потоком, если это технически подходит для продукта. Вибрации на транспортёрах, ёмкостях и упаковочных станциях также следует критически проверять, поскольку они могут перемещать тонкую фракцию вниз, а крупные частицы поднимать вверх.

Показатели и проверка

Число Фруда Fr является полезным показателем прежде всего для вращающихся систем смешивания. Оно описывает отношение инерционных сил к гравитационным. При слишком низкой частоте вращения циркуляция может быть недостаточной; при слишком высокой частоте вращения частицы могут прижиматься к стенке ёмкости и центрифугироваться. Общее правило вида «Fr>1 предотвращает сегрегацию» не соответствует действительности. При Fr≈1 во многих вращающихся системах уже начинается центрифугирование, поэтому для собственно смешивания обычно требуются заметно более низкие числа Фруда.

Для непрерывных и периодических процессов расчёт дополняют другие показатели: степень наполнения, число оборотов инструмента, окружная скорость, удельный ввод мощности, время смешивания, распределение времени пребывания, точность дозирования и время выгрузки. Эти значения не являются универсальными целевыми величинами, а должны определяться на основе испытаний продукта. Качество смешивания следует оценивать не только в смесителе, но и разнесёнными во времени пробами во время выгрузки и при необходимости после последующей транспортировки.