Какие ошибки часто допускаются в отношении степени наполнения смесителя?
Степень наполнения часто рассматривается как фиксированный показатель машины, хотя на самом деле является центральным параметром процесса. Слишком мало или слишком много продукта в смесителе может существенно влиять на качество смешивания, время смешивания, целостность частиц, сегрегацию, распределение жидкости, опорожнение и затраты на очистку. Поэтому подходящую степень наполнения необходимо определять совместно для продукта, геометрии смесителя, инструмента, частоты вращения и цели процесса.
Чрезмерное переполнение
Распространённой ошибкой является заполнение смесителя почти до его полного геометрического объёма ради увеличения производительности партии или сокращения времени цикла. Из-за этого часто не хватает необходимого свободного пространства для движения продукта. Смешиваемый продукт не может в достаточной степени расширяться, перемещаться или циркулировать. Следствиями являются увеличение времени смешивания, плохо перемешиваемые зоны, колебания однородности и в крайнем случае локальное уплотнение или перегрузка привода.
Для чувствительных продуктов переполнение может дополнительно увеличивать давление на нижние слои продукта. Хлопья, агломераты, гранулы и другие подверженные разрушению компоненты из-за этого могут сильнее истираться или ломаться. Для липких, влажных или жиросодержащих рецептур переполнение может также способствовать налипанию и неравномерному распределению жидкости. Более высокий уровень заполнения может увеличивать время смешивания; одновременно степень наполнения и схема загрузки влияют на риск сегрегации.
Недостаточное заполнение
Слишком низкую степень наполнения часто выбирают потому, что она на первый взгляд создаёт просторное пространство для движения. Однако если уровень заполнения слишком низкий, мешательные инструменты уже не охватывают весь объём продукта. Могут возникать зоны, которые перемешиваются лишь слабо, тогда как другие части продукта обрабатываются повторно и сравнительно интенсивно.
В смесителях свободного падения и барабанных смесителях недостаток продукта может приводить к увеличению высоты падения и более высокой ударной энергии. В смесителях с инструментом это может приводить к повышенной относительной скорости, истиранию, разрушению частиц или пылеобразованию. Особенно критично это для хлопьевых продуктов, хрупких гранул, покрытых частиц и чувствительных агломератов. Недозаполнение может снижать эффективность смешивания и увеличивать вариабельность партии.
Использование веса вместо объёма
Частой ошибкой планирования является расчёт загрузки исключительно в килограммах. Однако степень наполнения — это объёмная величина. Изменения насыпной плотности, влажности, температуры, доли воздуха, гранулометрического состава или рецептуры могут приводить к тому, что одна и та же масса занимает существенно иной объём.
Особенно проблематично это для лёгких, объёмных продуктов, таких как хлопья, растворимые порошки, волокна или агломерированные порошки. Партия, которая по весу кажется корректной, фактически может переполнять смеситель. И наоборот, тяжёлый продукт при той же массе может оказаться значительно ниже требуемого рабочего диапазона. Поэтому для определения степени наполнения следует использовать фактическую насыпную плотность продуктовой смеси в реальных условиях процесса.
Изменение степени наполнения в отрыве от других параметров
Степень наполнения иногда изменяют, не корректируя при этом частоту вращения, время смешивания, конфигурацию инструмента, профиль дозирования или добавление жидкости. Это часто приводит к необъяснимым колебаниям. Более высокая степень наполнения в зависимости от принципа смешивания требует адаптированного времени смешивания или частоты вращения; более низкое заполнение может потребовать меньшей скорости инструмента для ограничения разрушения и истирания.
Добавление жидких компонентов также необходимо согласовывать со степенью наполнения. При высоком заполнении достижимая поверхность продукта за единицу времени меньше; распылённая жидкость не одинаково хорошо достигает всех частиц. При низком заполнении жидкость может концентрированно попадать на немногие зоны или прилипать к стенке и инструменту. Поэтому степень наполнения, скорость распыления, размер капель, геометрию форсунки и движение продукта следует разрабатывать как единое технологическое окно.
Игнорирование рабочего диапазона производителя
Каждый смеситель имеет предусмотренный рабочий диапазон. Он основан на геометрии смесительного пространства, форме инструмента, глубине встраивания, выпускном органе и принципе смешивания. Степень наполнения вне этого диапазона может даже при одном и том же продукте приводить к застойным зонам, недостаточному перемещению, высокой механической нагрузке или нестабильному опорожнению.
Рабочий диапазон производителя является разумной отправной точкой, но не заменяет валидацию продукта. Практически оптимизированная степень наполнения может находиться в пределах допустимого диапазона, но редко переносится в общем виде на другой тип смесителя или другой типоразмер.
Недооценка сегрегации до и после смешивания
Хорошая проба непосредственно из смесителя не доказывает, что продукт останется однородным вплоть до фасовки. Сегрегация может возникать уже при загрузке из-за различных высот падения, насыпных плотностей, размеров частиц или порядка загрузки компонентов. Она может также возникать при опорожнении, в лотках, транспортёрах, силосах и при упаковке.
Неблагоприятная степень наполнения может усиливать эти эффекты, поскольку изменяется характер движения сыпучего продукта. Особенно для смесей из крупных и мелких, лёгких и тяжёлых или различных по форме компонентов актуальна перколяция: мелкая фракция может перемещаться вниз через промежутки между более крупными частицами. Различия в размере частиц, плотности, форме и когезии являются основными движущими факторами сегрегации.
Слишком долгое смешивание для компенсации ошибок степени наполнения
Частая реакция на плохие пробы смешивания звучит так: «Тогда будем смешивать дольше». Однако это редко может полностью скорректировать неподходящую степень наполнения. Более длительное время смешивания у чувствительных продуктов часто приводит к дополнительному истиранию, разрушению и пылеобразованию. Для смесей, склонных к сегрегации, чрезмерное смешивание может даже снова ухудшить однородность.
Вместо неограниченного увеличения времени смешивания следует выяснить, переполнен или недозаполнен смеситель, изменилась ли насыпная плотность, охватывает ли инструмент всю партию и вызывают ли загрузка и опорожнение сегрегацию продукта ещё до или уже после смешивания.
Отсутствие испытаний с оригинальным продуктом
Самая большая ошибка — определять степень наполнения на основе эмпирических значений, другой рецептуры или только номинального объёма. Даже сопоставимые продукты могут вести себя существенно иначе из-за насыпной плотности, влажности, содержания жира, формы частиц, размера зерна или текучести.
Поэтому степень наполнения следует систематически проверять на репрезентативном оригинальном продукте. Целесообразна серия испытаний с несколькими значениями степени наполнения, а также адаптированной частотой вращения и временем смешивания. Следует оценивать однородность, время смешивания, долю мелкой фракции и разрушения, насыпную плотность, содержание пыли, распределение жидкости, сегрегацию после выгрузки, остаточное опорожнение и время цикла. Степень наполнения влияет как на процессы смешивания, так и на процессы сегрегации, и поэтому её следует рассматривать как критический параметр процесса.
Так amixon® работает с переменной степенью наполнения в вертикальных смесителях
Для чувствительных хлопьевых продуктов, флейков, экструдированных продуктов, кластеров и покрытых частиц степень наполнения во многих системах смешивания является критическим параметром процесса. В вертикальных смесителях amixon®, напротив, качество смешивания может сохраняться в широком диапазоне степени наполнения, если продукт, исполнение инструмента и рабочие параметры соответствуют задаче. Вертикальная смесительная спираль SinConvex® создаёт трёхмерное движение продукта: она транспортирует смешиваемый продукт вверх в зоне, близкой к стенке; в центре продукт под действием силы тяжести снова течёт вниз.
Циркуляция следует за объёмом продукта
Производительность транспортировки вертикальной смесительной спирали можно приближённо описать следующим образом:
Iv=π/4⋅(D2−d2)⋅φ⋅S⋅n⋅ζ
При этом Iv — объёмный расход циркуляции смесительной спирали, D — наружный диаметр, а d — внутренний диаметр спирали. φ обозначает степень наполнения, S — шаг спирали, n — частоту вращения, а ζ — коэффициент скорости.
Уравнение показывает: с ростом степени наполнения объёмный расход циркуляции увеличивается пропорционально. Одновременно пропорционально возрастает и количество смешиваемого продукта. Поэтому в пересчёте на имеющуюся партию удельная производительность циркуляции при геометрически сопоставимых условиях в принципе остаётся постоянной. Это объясняет, почему вертикальное движение смешивания может оставаться сопоставимо эффективным в широком диапазоне степени наполнения. amixon® описывает эту зависимость для геометрически подобных аппаратов как основу независимой от типоразмера удельной производительности смешивания.
Это не означает, что степень наполнения больше не играет роли. Она по-прежнему влияет на время смешивания, столб продукта, опорожнение, добавление жидкости, нагрузку давлением на чувствительные частицы, доступное газовое пространство, выгрузку и возможное применение дополнительных инструментов. Однако при циркуляции по принципу вертикальной спирали SinConvex® она не является ограничивающим фактором в той же мере, что и при принципах смешивания, эффективность которых сильно зависит от определённой высоты падения, свободной поверхности продукта или локально формирующейся вихревой зоны.
Высокая гибкость степени наполнения
Вертикальные двухвальные смесители amixon® серии HM, по данным производителя, описываются для степени наполнения примерно от 10 до 100 процентов полезного объёма. При этом смеситель может эксплуатироваться с переменной частотой вращения и предназначен для гомогенизации сухих, влажных и вязких продуктов с различным размером частиц, насыпной плотностью и текучестью.
У вертикальных одновальных смесителей серии VM эффективное трёхмерное перемещение, по данным производителя, начинается уже примерно с 10 процентов степени наполнения. Конусные смесители серии AM — в зависимости от продукта и исполнения — также охватывают большой рабочий диапазон; amixon® указывает степень наполнения примерно от 5 до 100 процентов. Однако для порошкообразных сыпучих продуктов требуется достаточное газовое пространство. Поэтому фактически используемая максимальная степень наполнения зависит от текучести, объёма продукта, дегазации, добавления жидкости и геометрии смесителя.
Для чувствительных хлопьевых продуктов эта гибкость даёт практические преимущества. Партии меньшего размера по рецептуре можно перерабатывать в том же смесителе без обязательного перехода на аппарат меньшего размера. При сезонных вариациях, разработке продуктов, частой смене рецептур или колеблющихся объёмах производства это может снижать затраты на переналадку и потребность в дополнительных мощностях смешивания. Движение частиц остаётся трёхмерным; интенсивность смешивания согласуется через исполнение инструмента, частоту вращения и время смешивания с прочностью на разрушение, покрытием и требуемой однородностью.
Бережность к продукту и границы процесса
Для хлопьевых продуктов, чувствительных к разрушению, часто целесообразна низкая скорость инструмента для ограничения энергии удара, трения и истирания. Вертикальное транспортное движение может перемещать продукт сравнительно бережно. Однако полностью исключить разрушение хлопьев, истирание или повреждение покрытия в общем виде невозможно. Помимо смешивания, на целостность продукта могут влиять прежде всего загрузка, добавление жидкости, выгрузка, высота падения и последующая транспортная техника.
Применение режущих роторов или других интенсивных дополнительных инструментов для чувствительных хлопьевых продуктов, как правило, не требуется. Если добавляются жидкости, такие как ароматизаторы, масла, сиропы или покрытия, технику распыления необходимо согласовывать со степенью наполнения и движением продукта. Размер капель, скорость распыления, положение форсунки, температура продукта и вязкость влияют на то, достигается ли равномерное смачивание без локального переувлажнения и налипания.
Степень наполнения, близкую к верхней границе, особенно для пылящих или лёгких продуктов необходимо проверять на достаточное пространство для дегазации, безопасную загрузку и свободное движение продукта. Так же и при очень низкой степени наполнения необходимо обеспечивать, чтобы смесительная спираль и циркуляция продукта надёжно охватывали всю партию. amixon® рекомендует определять минимальную степень наполнения для планируемой установки посредством испытаний смешивания с оригинальным продуктом.
Расчёт на основе испытаний
Конкретный расчёт следует выполнять с оригинальным хлопьевым продуктом. При этом совместно исследуются степень наполнения, частота вращения, время смешивания, исполнение инструмента, загрузка, добавление жидкости и выгрузка. Следует оценивать однородность смешивания, долю разрушенных частиц и мелкой фракции, распределение покрытия, пылеобразование, насыпную плотность, текучесть, остаточное опорожнение, а также возможную сегрегацию после процесса смешивания.
Испытания определяют не только единственную оптимальную степень наполнения, но и надёжный допустимый рабочий диапазон. Благодаря этому вертикальный смеситель можно гибко использовать для партий разного размера, не упуская из виду качество продукта, целостность частиц и воспроизводимость процесса.