Skip to main navigation Перейти к основному содержанию Skip to page footer

Какие правила масштабирования действуют при пересчёте времени смешивания из лаборатории в производственный масштаб?

Масштабирование процессов смешивания порошков основывается прежде всего на геометрическом подобии, сопоставимых свойствах продукта и сохранении доминирующего механизма смешивания. Решающим является не расчётный перенос определённого времени смешивания из лаборатории, а достижение в большем масштабе того же подтверждаемого качества смешивания и устойчивости к сегрегации.

Благоприятной предпосылкой является геометрическое подобие лабораторного смесителя, смесителя испытательного центра и производственного смесителя. К этому относятся сопоставимые геометрии ёмкости и мешалки, одинаковые встроенные элементы, схожие условия загрузки и выгрузки, а также сопоставимая степень наполнения. У геометрически подобных порошковых смесителей степень наполнения при масштабировании должна по возможности оставаться постоянной.

В зависимости от типа смесителя применяются различные критерии. У гравитационных, контейнерных, двухконусных или V-образных смесителей часто разумной отправной точкой является число оборотов ёмкости. У конвективно работающих смесителей с мешалкой, напротив, ориентирами могут служить окружная скорость, частота вращения, удельное внесение энергии или число оборотов инструмента. Какой критерий определяющий, зависит от того, определяет ли процесс смешивания конвекция, сдвиг, дисперсионное перераспределение частиц или при необходимости дезагломерация. Для геометрически подобных порошковых смесителей в литературе как релевантный для масштабирования подход особо называется сохранение общего числа оборотов.

Более длительное время смешивания в производственном масштабе поэтому не является обязательным. При схожей геометрии, одинаковой степени наполнения и сопоставимом механизме смешивания требуемое число оборотов может оставаться схожим. Реальное время смешивания тем не менее может увеличиваться, если частоту вращения нужно снизить по соображениям щажения продукта, механической нагрузки, взрывозащиты или мощности привода. Так же на общее время процесса могут влиять загрузка, время дозирования, выгрузка и последующее транспортирование.

Особое значение имеют свойства продукта. Распределение частиц по размерам, насыпная плотность, когезия, влажность, электростатический заряд, прочность агломератов и текучесть должны по возможности оставаться сопоставимыми. В противном случае механизм смешивания при масштабировании может измениться, или возрастает опасность сегрегации. Это особенно важно для смесей с большими различиями плотности или размера зёрен, а также для микродозирования. При масштабировании поэтому нужно проверять, сохраняется ли доминирующий в лабораторном масштабе механизм также в производственном смесителе.

Для сложных порошков, паст или влажных сыпучих материалов дополнительно полезны могут быть безразмерные показатели, такие как число Фруда, а также окружная скорость или удельное внесение мощности. Однако они не заменяют испытания с оригинальными продуктами. Числа Рейнольдса и Ньютона являются в первую очередь показателями течения жидкости, и их не следует использовать как общую основу пересчёта времени смешивания для сухого порошкового смешивания.

Число Фруда относится при этом к вращающимся гравитационным, барабанным и метательным смесителям, а также к системам с горизонтально установленной мешалкой. Для вертикальных смесителей с принудительным перемешиванием оно не является ни критерием расчёта, ни критерием масштабирования. Определяющим там является то, чтобы принцип смешивания оставался одинаковым для всех типоразмеров и чтобы перемешивание охватывало всё смесительное пространство независимо от степени наполнения; переносимость подтверждается в испытательном центре с оригинальным продуктом.

Надёжное масштабирование поэтому обычно проводится поэтапно через лабораторию, испытательный центр или пилотный масштаб и производство. При этом исследуются качество смешивания, время смешивания, степень наполнения, частота вращения, последовательность загрузки и при необходимости дезагломерация. Оценка должна опираться не только на среднее значение, но и учитывать пространственный отбор проб, аналитический разброс и склонность к сегрегации после выгрузки.

Какие правила масштабирования применяет amixon® — и где их заменяют испытания

amixon® масштабирует от лабораторной ёмкости до крупнообъёмного производственного смесителя на основе определённой геометрии, рассчитываемого течения и задокументированных испытаний смешивания. Целью всегда является идеальное качество смешивания.

Идеальное качество смешивания как цель

  • Все виды смесителей amixon® рассчитаны на создание технически идеальной случайной смеси.
  • Даже при составах компонентов до примерно 1:100.000 и во всём диапазоне степени наполнения после короткого времени смешивания достигается распределение, которое практически невозможно улучшить далее.
  • Это качество смешивания справедливо как для вертикальных смесителей, так и для шарового смесителя.

Геометрическая основа: частота перемешивания

  • Масштабирование основывается на чётко определённом принципе течения.
  • Частота перемешивания описывает, как часто весь смешиваемый материал подаётся спиральной мешалкой SinConcave®/SinConvex®.
  • Одно перемешивание соответствует полному объёму смесительной камеры, который однократно перемещается мешалкой вверх; сила тяжести обеспечивает обратный поток вниз.

Производительность подачи мешалки (объёмный поток вытеснения) можно приближённо описать формулой:

I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ

где:

  • I_V: объёмный поток вытеснения или подачи
  • D/d: наружный и внутренний диаметр спирали
  • Φ: степень наполнения относительно полезного объёма
  • S: шаг спирали
  • n: частота вращения (оборотов в секунду)
  • ζ: специфичный для инструмента коэффициент скорости

Так можно рассчитать, сколько полных перемешиваний происходит на время смешивания — независимо от масштаба. Если геометрия увеличивается конгруэнтно (D, d, S, ζ), удельная производительность смешивания принципиально остаётся одинаковой для всех типоразмеров.

От лабораторной ёмкости к производственной машине

  • Формула перемешивания позволяет обоснованно рассчитывать более крупные или мелкие смесительные машины.
  • Для масштабирования соотношение «перемешиваний на время смешивания» из лабораторного испытания или испытания в испытательном центре переносится на целевой типоразмер.
  • Частоту вращения, время смешивания и степень наполнения производственного смесителя выбирают так, чтобы продукт претерпевал то же число «статистических перемешиваний», что и в испытании.

Именно у крупнообъёмных шаровых или конусных смесителей этот подход полезен: время смешивания не оценивается приблизительно, а выводится из свойств подачи и картины течения и сверяется с данными испытаний.

Испытания смешивания как технологическое подтверждение

  • Несмотря на расчёт, испытательный центр остаётся центральным этапом масштабирования.
  • Испытания смешивания в реальных условиях — с оригинальным продуктом, реальными степенями наполнения и температурными профилями — подтверждают теоретические предположения.
  • Так заблаговременно выявляются тенденции сегрегации, поведение агломератов, щажение продукта и очищаемость и учитываются в расчёте.

Постоянство для всех типоразмеров

Для всех типоразмеров у amixon® остаются постоянными три ключевых фактора:

  • принцип смешивания (тотальная циркуляция SinConcave®/SinConvex®: на периферии вверх, в центре вниз);
  • характерная геометрия инструмента;
  • качество смешивания независимо от степени наполнения, с наивысшим качеством уже начиная примерно с 10 % степени наполнения.

Время смешивания при переходе от лаборатории к производству меняется лишь умеренно. Оно определяется в испытании, поскольку зависит от поведения текучести, различий плотности и когезии конкретного продукта и не может быть рассчитано по простой эмпирической формуле.