Какие параметры расчёта решающи для достижения короткого времени смешивания и высокого качества смешивания при крупных партиях?
При крупных партиях короткое время смешивания и высокое качество смешивания не достигаются одной лишь максимальной частотой вращения или высокой удельной мощностью. Решающее значение имеет то, что геометрия ёмкости, смесительный инструмент, степень наполнения, свойства продукта, стратегия добавления компонентов и выгрузка согласованы между собой так, чтобы весь объём смеси многократно, контролируемо и по возможности бережно перемешивался. Окончательный расчёт должен быть подтверждён с оригинальным продуктом и в реалистичных условиях партии, поскольку именно при 10–100 м³ небольшие отклонения в потоке продукта, дозировании или выгрузке могут существенно влиять на однородность и производительность.
Ёмкость и степень наполнения
Геометрия ёмкости должна обеспечивать трёхмерное движение продукта и минимизировать мёртвые зоны. Соотношение высоты и диаметра, форма днища, радиусы переходов, встроенные элементы, зазоры до стенки и расположение выгрузки влияют на то, насколько быстро продукт из всех областей достигает активной зоны смешивания. Общепринятого целевого значения соотношения сторон для смесителей твёрдых веществ не существует; оно зависит от принципа смешивания. Цилиндрический вертикальный смеситель, конусный смеситель, двухвальный смеситель и горизонтальный плужковый смеситель нуждаются в разной геометрии для создания требуемого потока продукта.
Степень наполнения также не является универсальной величиной. Многие смесители свободного падения и горизонтальные смесители твёрдых веществ работают с частично заполненной ёмкостью, поскольку для перегруппировки продукта требуется свободное пространство. В качестве грубого ориентира часто используют диапазон примерно от 40 до 70 процентов объёма ёмкости; при переполнении свободная циркуляция снижается, а время смешивания растёт. Другие конструкции смесителей — в зависимости от геометрии инструмента и продукта — могут целесообразно работать и при заметно более низкой или более высокой степени наполнения. Решающим является то, что допустимый диапазон подтверждается испытаниями смешивания для конкретной рецептуры.
При крупных партиях масса партии так же важна, как и объём. Смеситель объёмом 50 м³ при насыпной плотности 0,2 т/м³ может требовать совершенно иного расчёта привода и выгрузки, чем при 1,2 т/м³. Поэтому расчёт должен учитывать полезный объём, максимальную массу, диапазон насыпной плотности, нагрузки на стенки, пусковой момент, уплотнение продукта и фактически предусмотренные колебания партий.
Инструмент и кинематика
Для короткого времени смешивания в крупных партиях конвективная циркуляция обычно является важнейшим механизмом. Смесительный инструмент должен не просто локально перемещать продукт, а вовлекать материал из пристенных, придонных, верхних и центральных зон в повторяющийся трёхмерный обмен. В зависимости от задачи применяются спиральные, шнековые, лопастные, плужковые, ленточные или многовальные инструменты. Выбор зависит от когезивности, распределения частиц по размерам, насыпной плотности, влажности, абразивности, чувствительности и требуемой дезагломерации.
Форма инструмента, их число, перекрытие зон смешивания и расстояние до стенки ёмкости определяют время оборота всего объёма. Слишком большой зазор до стенки может привести к плохо перемешанным пристенным зонам и налипанию продукта. Слишком малый зазор, напротив, повышает риск истирания, разрушения частиц, выделения тепла и недопустимо высоких пусковых моментов. Поэтому для абразивных или чувствительных продуктов технически правильное расстояние всегда является компромиссом между смесительным эффектом, износом и бережностью к продукту.
Частота вращения и окружная скорость должны выбираться так, чтобы возникало желаемое движение продукта без расслоения, центрифугирования или чрезмерного сдвига. Для вращающихся систем свободного падения полезным показателем является число Фруда. Оно описывает отношение инерционных сил к гравитационным: Fr=ω2R/g. С ростом числа Фруда режимы движения меняются от перекатывания и каскадирования до катарактного режима (cataracting) или центрифугирования. Однако простое целевое значение вида Fr≈1 в целом не рекомендуется для крупнообъёмных смесителей твёрдых веществ. При Fr=1 во многих вращающихся системах уже начинается центрифугирование; для бережного смешивания в режиме свободного падения обычно применяются заметно более низкие значения.
Удельный ввод мощности P/V является полезной величиной для сравнения, но не единственным достаточным критерием масштабирования. Одинаковая плотность мощности не гарантирует автоматически идентичные пути продукта, время пребывания или качество смешивания. Для жидких и пастообразных систем расчёт дополняют число Рейнольдса и число Ньютона. Число Рейнольдса характеризует отношение инерционных сил к вязким, тогда как число Ньютона описывает потребляемую мощность в зависимости от инструмента, частоты вращения, плотности и состояния потока. Для сухих порошков, напротив, часто решающими являются когезивность, трение о стенку, функция текучести, движение частиц, содержание воздуха и склонность к сегрегации, а не классические гидродинамические показатели.
Рецептура и дозирование
Свойства компонентов определяют, насколько сложна задача смешивания. Большие различия в размере частиц, форме частиц или насыпной плотности повышают опасность расслоения. Мелкие частицы могут перколировать между более крупными; более плотные частицы в насыпи при определённых условиях скорее перемещаются вниз. Широкое распределение частиц по размерам, а также различия плотности и отношения высоты падения к диаметру ёмкости могут усиливать сегрегацию при загрузке и выгрузке.
У когезивных порошков склонность к расслоению часто ниже, но одновременно могут возникать агломераты, своды и неравномерное смачивание. В этом случае может потребоваться более интенсивный конвективный обмен или локально ограниченная дезагломерация. У очень хорошо текучих порошков, напротив, на первый план часто выходит предотвращение расслоения. В подходящих рецептурах целенаправленное добавление жидкости может связывать мелкие частицы с более крупными частицами-носителями. Это необходимо тщательно дозировать, чтобы избежать локального переувлажнения, нежелательных агломератов или ухудшения текучести.
Место и порядок добавления компонентов особенно важны при крупных партиях. Малые компоненты, действующие вещества, пигменты или добавки не должны попадать в слабо обтекаемые пристенные зоны, а должны дозироваться в активную зону смешивания. Геометрические предварительные смеси могут потребоваться при очень низких долях дозирования. Продолжительность дозирования и момент начала должны соответствовать времени оборота смесителя. Слишком быстрое добавление в локально ограниченную область может создать пик концентрации, который не всегда удаётся надёжно устранить даже более длительным смешиванием.
Выгрузка и масштабирование
Высокое качество смешивания имеет значение для процесса только в том случае, если оно сохраняется при выгрузке и последующей транспортировке. Выгрузку следует рассчитывать так, чтобы преимущественно возникал массовый поток. При массовом потоке материал движется по всему поперечному сечению ёмкости в направлении выпускного отверстия; это может снижать сегрегацию по сравнению с канальным или шахтным течением. Поэтому геометрия воронки, рассчитанная на массовый поток, достаточно большое сечение выпускного отверстия, подходящий угол наклона стенок и согласованный орган выгрузки являются центральными расчётными параметрами.
Также необходимо учитывать высоту падения, точки передачи, транспортёрные ленты, пневматические транспортные линии и промежуточные ёмкости. Большие участки свободного падения могут вызывать классификацию по траектории и размеру. Вибрация, потоки воздуха и повторные перегрузки могут вновь ухудшать однородность, достигнутую в смесителе. Поэтому для критических рецептур необходимы разнесённые во времени пробы во время выгрузки и в последней значимой точке процесса.
Масштабирование не должно опираться на один-единственный показатель. Геометрическое подобие, число Фруда, окружная скорость, удельный ввод мощности, число оборотов инструмента и время оборота могут в зависимости от принципа смешивания служить полезными величинами сравнения. Однако они могут преследовать разные цели и не всегда могут одновременно оставаться постоянными. Особенно для твёрдых веществ поэтому целесообразно сочетание моделирования, например CFD или DEM, с репрезентативными испытаниями смешивания. Моделирование может визуализировать критические зоны, пути продукта и потенциальные механизмы расслоения; однако оно должно быть валидировано измеренными данными реального продукта.
Короткое время смешивания и высокое качество смешивания при крупных партиях возникают тогда, когда смесительный инструмент контролируемо и многократно перегруппировывает весь объём продукта. Именно на это рассчитаны вертикальные и конусные смесители amixon® VM, HM и AM со смесительными инструментами SinConvex®. Продукт поднимается вверх в пристенной области, в центре под действием силы тяжести опускается вниз и затем вновь поступает в активную зону смешивания. Это трёхмерное тотальное течение объединяет все области продукта между собой и снижает опасность образования плохо перемешанных пристенных или центральных зон.
В вертикальном двухвальном смесителе amixon® HM накладываются друг на друга два потока продукта. При подходящей рецептуре, соответствующей степени наполнения и согласованной частоте вращения это может обеспечивать особенно короткое время смешивания. Стандартная серия охватывает типоразмеры примерно до 20 000 литров; аппараты большего объёма могут изготавливаться под конкретный проект примерно до 50 м³. Смеситель KoneSlid® KS также работает с активным трёхмерным принудительным перемешиванием. Полный объём партии может быть однократно перегруппирован примерно после четырёх оборотов инструмента. В зависимости от продукта, степени наполнения, целевой однородности и концепции загрузки требуемое качество смешивания может достигаться примерно после 20–40 оборотов. Однако эти значения не являются универсальным подтверждением производительности, а должны валидироваться с оригинальным продуктом.
Размер партии не определяет время смешивания или качество смешивания. Значение также имеют насыпная плотность, степень наполнения, распределение частиц по размерам, форма частиц, когезивность, влажность, структура агломератов, доли дозирования и требуемая бережность к продукту. При больших различиях насыпной плотности или размера зерна расслоение может возникать во время выгрузки, на участках падения или при последующей транспортировке. Геометрия ёмкости и смеситель не предотвращают это в общем случае. Поэтому короткое время смешивания является преимуществом процесса лишь тогда, когда однородность сохраняется вплоть до фасовки.
Смесители amixon® в зависимости от исполнения и продукта могут эксплуатироваться в широком диапазоне степени наполнения — примерно от 10 до 100 процентов полезного объёма. Достигается ли технически идеальная случайная смесь фактически во всём этом диапазоне, необходимо подтверждать для конкретной рецептуры. Особенно при малых объёмах наполнения, сильно различающихся компонентах или добавках с низкой дозировкой требуемое время смешивания и однородность могут изменяться. Для очень крупных партий в диапазоне примерно от 10 до 100 м³ доступен Gyraton® GM. Расчёт может быть ориентирован на особо низкую мощность привода и бережность к продукту либо на короткое время смешивания с соответственно более высоким вводом мощности.
Выгрузка является решающей частью расчёта всего процесса. Выигрыш во времени, полученный за счёт смешивания, не должен теряться из-за длительного времени опорожнения или последующего расслоения. Элементы ComDisc® способны поддерживать практически полное остаточное опорожнение и контролируемо направлять продукт из придонных областей к выпускному отверстию. У KoneSlid® KS опускаемая система запирания способна открывать большое сечение выпускного отверстия. Для достаточно сыпучих продуктов это обеспечивает быструю выгрузку в течение нескольких секунд. Однако остаточное опорожнение до 99,98 процента всегда следует относить к конкретному продукту, степени наполнения и исполнению аппарата. Для когезивных, влажных или липких продуктов поведение при опорожнении может отличаться.
Арматура DosiFlap® поддерживает фасовку в последующую тару без застойных зон и с дозированием. Действительно ли опорожнение и фасовка происходят без расслоения, необходимо проверять по всему технологическому пути. Сюда относятся выпускное отверстие смесителя, высота падения, точки передачи, транспортные органы, весовые ёмкости, биг-бэги, IBC или упаковочные машины. Для критичных рецептур в течение всей выгрузки следует отбирать и анализировать разнесённые во времени пробы.
Бережность к продукту обеспечивается сравнительно тихоходным режимом смешивания. Окружная скорость смесительных инструментов в зависимости от смесителя и задачи может настраиваться примерно между 0,8 и 3,5 м/с. Принудительное перемешивание SinConvex® создаёт смесительный эффект за счёт непрерывного движения продукта и избегает выраженных зон броска, удара или раздавливания. Благодаря этому чувствительные частицы, покрытые гранулы или инстант-агломераты могут гомогенизироваться при ограниченном механическом и термическом вводе энергии. Если требуется целенаправленная дезагломерация, режущие роторы можно подключать локально и на ограниченное время. Это позволяет концентрировать интенсивность на фактически необходимой фазе процесса, не подвергая всю партию постоянно высокой нагрузке.
Для надёжного расчёта время смешивания, частота вращения, степень наполнения, порядок загрузки, стратегия дозирования и условия выгрузки исследуются в испытательном центре amixon® с оригинальным продуктом. При этом оцениваются не только однородность и время смешивания, но и бережность к продукту, ввод энергии, дезагломерация, остаточное опорожнение, риск расслоения, очищаемость и воспроизводимость. Документированные результаты образуют основу для планирования времени такта, производительности и мощности ещё до инвестиции.
Гигиеничная конструкция поддерживает безопасную переработку при частых сменах продукта и высоких требованиях к качеству. Сваренные без щелей и отшлифованные смесительные камеры, мешалки только с верхней опорой без нижнего вывода вала в зоне продукта, большие смотровые двери CleverCut® с уплотнениями OmgaSeal®, органы выгрузки без застойных зон и встроенные моющие копья облегчают доступность, очистку и валидацию. Благодаря этому сухая и мокрая очистка могут реализовываться применительно к конкретному процессу. В зависимости от проекта возможны исполнения по EHEDG, а также с учётом гигиенических требований FDA и стандартов 3-A Sanitary Standards.