Какие варианты существуют для интеграции дозирующих систем в порошковые смесители?
Системы дозирования могут интегрироваться непосредственно у смесителя, через промежуточную ёмкость или как часть непрерывного процесса. Технически наилучшее решение определяется поведением продукта, требуемой точностью дозирования, производительностью, периодическим или непрерывным режимом работы, гигиеной, локализацией (containment) и доступной строительной высотой. Универсально «наилучшей» архитектуры не существует.
При прямой загрузке дозирующие органы, такие как шнековые дозаторы, ячейковые питатели или вибрационные лотки, непосредственно соединены с загрузочным отверстием смесителя. Это сокращает число точек передачи, свободную высоту падения и потери материала. Такое решение подходит для компактных установок, но требует надёжной синхронизации такта между дозированием и смесителем. Волюметрические дозаторы сравнительно просты, но чувствительны к изменениям насыпной плотности, характера течения или уровня заполнения. Поэтому они целесообразны прежде всего для стабильных, хорошо сыпучих порошков.
Для периодических процессов часто применяется предварительное гравиметрическое взвешивание. При этом компоненты дозируются по массе в весовой ёмкости или непосредственно на весах, а затем передаются в смеситель порциями. Этот принцип часто называют Gain-in-Weight (набор веса): измеряется увеличивающийся вес в весовой системе. Он обеспечивает чёткую привязку к рецептуре и высокую точность, которая, однако, всегда зависит от продукта, диапазона количеств и установки. При этом весовые датчики должны быть развязаны от вибраций, усилий трубопроводов и механических побочных нагрузок.
Для непрерывных процессов смешивания часто применяются гравиметрические дозаторы Loss-in-Weight. Loss in Weight означает, что непрерывно фиксируется убывающая масса накопительной ёмкости; частота вращения дозирующего органа регулируется так, чтобы поддерживался заданный массовый поток. Этот метод может лучше компенсировать колебания насыпной плотности и потока материала, чем чисто волюметрическое дозирование. Однако фазы пополнения остаются критическим моментом: во время повторного наполнения прямое гравиметрическое регулирование ограничено или прерывается, поэтому размер ёмкости, скорость пополнения, стратегия регулирования и при необходимости буферизация должны тщательно рассчитываться.
Точность дозирования не следует указывать в общем виде фиксированными процентными значениями. Она зависит от продукта, диапазона дозирования, времени дозирования, разрешения взвешивания, характера течения, выгрузного органа, процесса пополнения, помех окружающей среды и определения самой точности. Особенно при малых количествах и когезивных порошках достижимая точность может значительно отличаться от номинальных значений. Поэтому её следует проверять с оригинальным материалом и во всём реальном рабочем диапазоне.
Конусные клапаны могут применяться как выгрузные и запорные органы на смесителях, силосах или ёмкостях. При подъёме конуса образуется кольцевой выгрузной зазор. При подходящей геометрии ёмкости и подходящем сыпучем материале это может способствовать массовому течению: продукт движется при этом по всему поперечному сечению ёмкости, а не только в центральном канале течения. Массовое течение может снижать расслоение, застойные зоны и неравномерное время пребывания. Однако оно не гарантируется одним лишь клапаном. Угол воронки, размер выпускного отверстия, трение о стенку, влажность продукта, когезия, распределение частиц по размерам и аэрация должны рассматриваться совместно.
Переменное положение подъёма конусного клапана может влиять на поток продукта и в определённых применениях поддерживать грубое или тонкое дозирование. Однако для точного гравиметрического розлива один лишь клапан, как правило, не заменяет подходящую весоизмерительную и регулирующую технику. Для когезивных или плохо текучих порошков могут дополнительно потребоваться вибрационные средства, средства аэрации или вспомогательные средства выгрузки. Эти меры необходимо рассчитывать осторожно, поскольку вибрации или неконтролируемые движения воздуха у чувствительных смесей могут способствовать расслоению.
Управление процессом должно логически блокировать дозатор, смеситель и выгрузку друг с другом. Типичными условиями являются: смеситель готов к загрузке, нужная рецептура разрешена, выгрузной клапан закрыт, взвешивание находится в пределах допустимого допуска, а последующая установка может принять продукт. Концевые выключатели, сигналы обратной связи о положении, сигналы взвешивания, значения уровня заполнения и сообщения о неисправностях должны быть однозначно задокументированы и интегрированы в систему управления. Программируемый логический контроллер, сокращённо ПЛК, может выполнять эти последовательности; для документирования партий данные о рецептуре, сырье и процессе могут передаваться в вышестоящие системы.
Конструктивное исполнение определяется случаем применения. Для пищевой и фармацевтической промышленности значимы малозастойные, хорошо очищаемые геометрии, подходящие контактирующие с продуктом материалы и при необходимости Cleaning in Place (сокращённо CIP) или Sterilization in Place (сокращённо SIP). CIP обозначает очистку встроенных частей установки без значительной разборки; SIP обозначает стерилизацию во встроенном состоянии. При взрывоопасных пылях или газах необходимо учитывать деление на зоны, оценку источников воспламенения и подходящие защитные меры. Абразивные продукты могут потребовать износостойких материалов или сменных быстроизнашивающихся деталей. Для реактивных или чувствительных к кислороду продуктов могут потребоваться закрытые системы, инертизация и определённые условия давления или вакуума.
Как amixon® может интегрировать дозирование, выгрузку и периферию
Интеграция систем дозирования в порошковый смеситель должна планироваться как комплексная задача, включающая подготовку материала, взвешивание, загрузку, смешивание, выгрузку, транспортировку и управление. Решающее значение имеют свойства сыпучих материалов, требуемая точность дозирования, режим работы — периодический или непрерывный, — необходимая очищаемость, требования к локализации (containment), а также интерфейсы с предшествующей и последующей установками. amixon® может рассчитывать смесительную технику и соответствующие интерфейсы индивидуально для проекта на основе User Requirement Specification, сокращённо URS. URS — это документированная спецификация требований эксплуатирующей организации.
На стороне выгрузки арматура DosiFlap® в определённых применениях может поддерживать контролируемую выдачу продукта. Она может располагаться непосредственно под смесителем и обеспечивать передачу в биг-бэги, тару, транспортную технику или последующие технологические ступени. Преимущество прямой выдачи заключается в том, что удаётся избежать дополнительных промежуточных ёмкостей и потенциальных точек передачи. Однако достижимость достаточно точного дозирования зависит от характера течения, насыпной плотности, дозируемого количества, допуска выгрузки, характеристики клапана, условий давления и имеющейся концепции взвешивания. Для гравиметрически точного розлива, как правило, требуется согласованная весоизмерительная техника; сам по себе выгрузной орган её не заменяет.
В зависимости от требований процесса могут применяться также стандартные патрубки с выпускной заслонкой или вакуум- и давлениестойкие шаровые сегментные затворы. Подходящий выгрузной орган должен соответствовать продукту, геометрии ёмкости, возможным условиям давления или вакуума, стратегии очистки и последующей установке. Заподлицо выполненное, малозастойное исполнение выпускного отверстия может снижать остатки продукта и затраты на очистку. Однако это не является общим доказательством того, что выше арматуры не остаётся остатков. Липкие, влажные, когезивные или способные электростатически заряжаться порошки могут образовывать налипания независимо от геометрии. Поэтому эффективность опорожнения и очистки следует проверять с фактическим продуктом.
Технология ComDisc® может поддерживать выгрузку, транспортируя оставшиеся в конце процесса смешивания количества продукта к выпускному отверстию. По данным amixon®, в зависимости от продукта и применения возможны высокие степени опорожнения — примерно до 99,99 процента. Максимально полное опорожнение может повышать выход продукта, упрощать смену продукта и снижать остаточные количества. Однако фактически достижимое опорожнение зависит от налипания продукта, влажности, размера частиц, насыпной плотности, геометрии аппарата и режима работы. Опорожнение без расслоения можно оценивать только для конкретной рецептуры и фактического пути выгрузки.
Для непрерывных процессов непрерывный смеситель amixon® типа AMK показывает, как можно согласовать дозирование, объём смешивания и выгрузку. В начале производства выгрузка сначала остаётся закрытой. Гравиметрические дозаторы запускаются одновременно с небольшим массовым потоком и согласовываются друг с другом. После того как ёмкость заполнена примерно наполовину, начинается режим смешивания. При степени наполнения около 80 процентов выгрузка постепенно открывается; после этого степень наполнения удерживается на этом уровне через потоки дозирования. В конце производства потоки дозирования контролируемо снижаются, и смеситель опорожняется. Эта концепция может снижать потери при пуске и остановке и способствовать стабильной работе. Однако то, действительно ли не возникает потерь продукта или продукции вне спецификации, зависит от точности дозирования, колебаний сырья, регулирования процесса, задачи смешивания и установленных критериев качества.
Для периодических установок действуют схожие принципы. Автоматическое взвешивание по рецептуре может фиксировать компоненты по заданным количествам и передавать их в смеситель в определённой последовательности. Для этого дозирующие устройства, весовые датчики, накопительные ёмкости, транспортная техника, смеситель и выгрузка должны быть связаны через чёткую логику управления и блокировок. Например, смеситель следует загружать только тогда, когда рецептура разрешена, выгрузной орган закрыт, доступен достаточный объём ёмкости и процесс находится в безопасном рабочем состоянии. После фазы смешивания последующая установка или система розлива должна быть готова, прежде чем будет разрешена выгрузка.
amixon® производит смесительную технику; дозаторы, просеивающие машины, транспортная техника и другая периферия могут интегрироваться в рамках проекта. Для этого необходимо заблаговременно определить механические присоединительные размеры, высоты передачи, производительность транспортировки, пропускную способность, буферные объёмы, потоки материала, передачу сигналов и распределение ответственности. Компактные вертикальные смесители могут облегчать интеграцию, поскольку сырьё часто подаётся сверху, а продукт выгружается вниз. Однако принцип силы тяжести работает только тогда, когда достаточно учтены высоты падения, углы воронки, характер течения, риски сводообразования, пылеотвод и доступная строительная высота.
Система управления связывает взвешивание, дозирование, процесс смешивания и розлив. Рецептуры можно закладывать в программируемый логический контроллер, сокращённо ПЛК, и выполнять для каждой партии. ПЛК — это промышленный компьютер для управления машинами и процессами. Индивидуальное для проекта подключение к системе планирования ресурсов предприятия, сокращённо ERP-системе, и идентификация материалов на основе штрихкодов могут поддерживать прослеживаемость партий. ERP-система служит для планирования и управления заказами, материалами и ресурсами. Чтобы рецептура, партия сырья, заданные и фактические количества, параметры процесса и выгрузка были корректно связаны друг с другом, необходимо чётко определить модель данных, временные метки, версию рецептуры, права пользователей, поведение при коммуникации и порядок работы с отклонениями.
Расчёт нового решения для дозирования или выгрузки не должен основываться только на опытных значениях. В испытательном центре amixon® можно проводить испытания с оригинальным продуктом. По данным amixon®, в Падерборне доступно более 30 испытательных установок разных размеров; дополнительные испытательные центры существуют в Японии, Индии, Таиланде, Китае, Южной Корее и США. В зависимости от задачи можно оценивать качество смешивания, дозируемость, распределение жидкости, щадящее воздействие на продукт, подводимую энергию, возможность опорожнения и очищаемость. Результаты могут поддерживать расчёт и определение начальных параметров. Они снижают технические риски перед инвестицией, но не заменяют приёмку по производительности и при необходимости квалификацию полной производственной линии у эксплуатирующей организации.
Гигиеничный дизайн смесительной установки может поддерживать чистую и контролируемую интеграцию. amixon® описывает для определённых исполнений малошовные и отшлифованные контактирующие с продуктом области, мешалку только с верхней опорой, а также смотровые двери Clever-Cut® с уплотнениями OmgaSeal®. Эти особенности могут улучшать доступность и очищаемость и сокращать число контактирующих с продуктом уплотнений. Промывочные копья, а также Cleaning in Place (сокращённо CIP) или Wet in Place (сокращённо WIP) могут предусматриваться индивидуально для проекта. CIP обозначает очистку во встроенном состоянии без значительной разборки. WIP описывает мокрую очистку во встроенном состоянии. Фактическая эффективность очистки должна быть подтверждена для продукта, загрязнения и метода очистки; промывочное копьё или автоматизированный цикл очистки не является автоматически валидированной очисткой.