Какие типы контейнерных смесителей существуют и чем они отличаются друг от друга?
Контейнерные смесители в принципе можно разделить на две группы: системы, в которых сам контейнер служит камерой смешивания, и контейнерные установки, в которых стандартные контейнеры доставляют продукт к стационарному смесителю и снова принимают его после процесса смешивания. К этому добавляются различные принципы смешивания. Особенно распространены смесители свободного падения или опрокидывающие смесители, в которых движется вся ёмкость целиком, а также контейнерные смесители с активно приводимым смесительным инструментом. Конструктивные исполнения различаются прежде всего по своему смесительному эффекту, бережности к продукту, пригодности для сложных рецептур, контейнменту, а также по логистике очистки и производства.
Основная идея контейнерного смесителя заключается в том, чтобы включить транспортную или накопительную ёмкость в процесс смешивания. Ёмкость заполняется, стыкуется с приводным блоком или станцией смешивания, там смешивается и затем как закрытая ёмкость с продуктом транспортируется дальше, хранится или направляется непосредственно на следующую стадию процесса. В наиболее благоприятном случае наполнение, смешивание, промежуточное хранение, транспортировка и опорожнение происходят в одном и том же IBC. В отличие от этого, стационарный смеситель имеет постоянно установленную камеру смешивания. Продукт переводится из одного или нескольких контейнеров в смеситель, там перерабатывается и затем снова выгружается в контейнер, технологическую ёмкость или на установку фасовки.
Практическая польза контейнерной концепции заключается прежде всего в отпадающих или сокращённых операциях передачи продукта. Каждая операция перегрузки является потенциальным источником пылевых выбросов, потерь продукта, перекрёстного загрязнения, сегрегации и воздействия на оператора. Если продукт как можно дольше остаётся в одной и той же закрытой ёмкости, число этих критичных интерфейсов снижается. Это особенно актуально для критичного по аллергенам сырья, высокоактивных действующих веществ, токсичных, раздражающих или обладающих сильным запахом порошков. Контейнерное смешивание также позволяет очищать, заполнять или готовить к выгрузке один IBC, пока на станции смешивания уже перерабатывается другая ёмкость. Благодаря этому смешивание, очистку и логистику можно разнести по времени; при частой смене рецептур это может значительно повысить доступность установки.
Простейшей формой контейнерного смесителя является смеситель свободного падения или опрокидывающий смеситель. При этом закрытая ёмкость закрепляется в раме и вращается или иным образом перемещается вокруг горизонтальной или, при необходимости, нескольких осей. Частицы внутри многократно поднимаются, падают обратно, разделяются и вновь объединяются. Смесительный эффект основан преимущественно на свободном течении и перераспределении сыпучего материала. Смесители свободного падения зачастую очень бережны, поскольку работают без быстро вращающихся смесительных инструментов, сильного сдвига или высоких локальных силовых воздействий. При подходящих условиях хрупкие гранулы, ломкие агломераты или чувствительные к истиранию частицы могут хорошо сохраняться. Типичным исполнением этого принципа является бин-блендер или IBC-опрокидывающий смеситель.
Однако особая бережность смесителя свободного падения связана с чёткими предпосылками. Компоненты должны быть сухими, хорошо сыпучими и по возможности схожими по размеру зерна, насыпной плотности и текучести. Они не должны быть склонны к налипанию, комкованию или выраженному электростатическому заряду. Степень наполнения ёмкости также должна соответствовать геометрии и характеру движения. Если компоненты сильно различаются по плотности или размеру частиц, при свободном течении они могут следовать разным траекториям движения. Тогда существует опасность, что смесь не улучшится, а вновь расслоится. Это особенно касается очень тонких, когезионных порошков, влажных или липких продуктов, рецептур с компонентами низкой дозировки и смесей с сильно различающимися свойствами сырья. Поэтому смеситель свободного падения не следует выбирать только на основании его высокой бережности к продукту. Его пригодность необходимо практически проверить с реальной рецептурой и предусмотренной степенью наполнения.
Вторым конструктивным типом являются контейнерные смесители с активным смесительным инструментом. Здесь ёмкость во время смешивания в принципе остаётся камерой смешивания. Однако смесительная головка вводится в контейнер сверху или сбоку и создаёт определённую циркуляцию продукта. Инструмент может трёхмерно перемещать сыпучий материал и целенаправленно захватывать его из разных зон ёмкости. Благодаря этому можно решать и более сложные задачи смешивания, например когда компоненты имеют разную насыпную плотность и размер зерна, когда очень малое количество добавки нужно однородно вмешать или когда необходимо вводить жидкости, суспензии, пасты или влажные компоненты.
Активный контейнерный смеситель может иметь значительно более широкое окно применения, чем чистый смеситель свободного падения. Он может создавать целенаправленный поток продукта, разрушать агломераты, предотвращать локальные скопления сырья и улучшать однородность даже у продуктов с более сложной текучестью. Однако более высокая технологическая способность несёт с собой конструктивную сложность: смесительный инструмент должен погружаться в ёмкость и после процесса смешивания снова выводиться. Для этого необходимо сравнительно большое отверстие контейнера. У пылящих, токсичных, опасных для здоровья или обладающих сильным запахом продуктов этот открытый интерфейс представляет сложность, поскольку при вводе и выводе инструмента может выделяться пыль. Поэтому контейнер с активным смесительным инструментом особенно подходит для продуктов, которые действительно требуют точного и активного смесительного воздействия, но чей пылевой и опасный потенциал управляем или для которых имеется подходящая концепция контейнмента.
Ещё одним важным вариантом является контейнерная смесительная установка со стационарным смесителем. В этом случае сам контейнер не является камерой смешивания. Стандартные IBC служат закрытыми накопительными и приёмными ёмкостями. Они стыкуются с загрузочным отверстием стационарно установленного смесителя, продукт пылеплотно передаётся в камеру смешивания и после процесса смешивания снова выгружается в IBC. Процесс смешивания происходит, например, в конусном смесителе, вертикальном смесителе или другом стационарном прецизионном смесителе. Эта концепция объединяет логистические преимущества стандартизированных контейнеров с камерой смешивания, инструмент, геометрия, дозирование жидкости, термостатирование, вакуумная техника и орган выгрузки которой могут быть целенаправленно рассчитаны под конкретную рецептуру.
Стационарная смесительная установка со стандартным подключением IBC зачастую является более надёжным решением для пылящих, токсичных, критичных по аллергенам, обладающих сильным запахом или высокоактивных сыпучих материалов. Стандартные IBC обычно имеют загрузочный и выпускной патрубок с подходящей запорной арматурой. Их можно пылеплотно подключать к станциям стыковки. Такие станции в зависимости от задачи могут оснащаться весовым оборудованием, вибрационными вспомогательными устройствами, фильтрами, автоматизированной арматурой или расширенными решениями контейнмента. Благодаря этому передачи продукта остаются контролируемыми, хотя смеситель представляет собой отдельное технологическое пространство. Для сложных задач смешивания, дозирования жидкости, влажных продуктов, сильно различающихся свойств сырья или высоких требований к однородности эта концепция зачастую подходит лучше, чем чистый IBC-опрокидывающий смеситель.
Различие между контейнером как камерой смешивания и стационарным смесителем с подключением контейнеров заключается, таким образом, не только в технике смешивания, но и в организации производства. Если смешивается сам контейнер, станция смешивания может в значительной степени оставаться свободной от продукта. IBC после процесса снимается, транспортируется дальше и при необходимости очищается вне станции смешивания. Это облегчает смену рецептур и может снижать перекрёстное загрязнение. Для этого необходимо достаточное количество контейнеров, площадей для их размещения, возможностей очистки и функционирующей логистики ёмкостей. Если используется стационарный смеситель, необходимо очищать и валидировать камеру смешивания, пути продукта, арматуру выгрузки и при необходимости внутренние элементы. Зато смеситель можно рассчитать на большое число различных рецептур и оптимизировать для сложных задач смешивания.
При частой смене продукта и умеренных размерах загрузок концепция IBC может быть особенно экономичной. Пока один контейнер смешивается, другой IBC уже может заполняться сырьём. Третья ёмкость может очищаться, проверяться или подготавливаться к фасовке. Собственно станции смешивания тогда не нужно ждать очистки или подготовки следующего контейнера. При крупных, неизменных загрузках, напротив, стационарный смеситель может давать преимущества, поскольку обеспечивает высокую производительность на единицу занимаемой площади и может эффективно эксплуатироваться для постоянного семейства продуктов.
Выбор подходящего контейнера так же важен, как и выбор смесителя. Решающее значение имеют не только номинальный объём и внешние размеры. Контейнер должен соответствовать текучести продукта. Круглый IBC может опорожняться выгоднее, тогда как прямоугольная ёмкость лучше использует доступное пространство. Угол конуса, диаметр выпускного патрубка, тип запорной арматуры и качество поверхности влияют на то, можно ли выгрузить порошок безопасно, максимально полно и без сегрегации. Для когезионных, влажных, склонных к электростатическому заряду или сводообразующих продуктов могут потребоваться более крупные выпускные отверстия, более крутые конусы, подходящие вибрационные вспомогательные устройства или другие средства улучшения текучести. Для критичных продуктов также важны герметичность арматуры, пригодность для влажной или сухой очистки, качество поверхности, а также возможные концепции WIP или CIP.
Контейнерные смесители свободного падения не входят в производственную программу amixon GmbH. Для контейнерных процессов смешивания amixon® предлагает три различные концепции: бочковый смеситель EM для стандартных бочек, классический контейнерный смеситель COM, в котором сам контейнер для сыпучего материала служит камерой смешивания, а также конусный смеситель AM, который заполняется и снова опорожняется через стандартные контейнеры для сыпучего материала. Системы различаются прежде всего размером загрузки, принципом смешивания, контейнментом продукта, затратами на очистку и возможностью разносить рабочие операции в производстве по времени.
Бочковый смеситель EM рассчитан на применение со стандартными бочками. Он самостоятельно заполняется содержимым подключённой бочки и перерабатывает загрузки до размера стандартной 200-литровой бочки. Система особенно подходит для малых и средних загрузок, когда сырьё уже поставляется в бочках или когда размер загрузки сознательно ограничивается объёмом бочки. Особая сильная сторона бочкового смесителя заключается в его компактной и простой интеграции в процессы на основе бочек. При этом его ограничение заключается в максимальном размере загрузки: для больших объёмов, высокой производительности или логистики производства на основе IBC обычно предпочтительнее другая концепция смешивания.
Классический контейнерный смеситель COM работает с контейнером для сыпучего материала в качестве смесительной ёмкости. Контейнер позиционируется на станции смешивания и открывается. Затем динамически работающий спиральный смесительный инструмент опускается сверху в слой порошка. Во время процесса смешивания он создаёт целенаправленную трёхмерную циркуляцию продукта. По завершении смешивания смесительный инструмент в реверсивном режиме медленно выводится обратно из смешиваемого материала. Готовая смешанная загрузка остаётся в том же контейнере и может напрямую транспортироваться дальше, временно храниться, фасоваться или направляться на следующую стадию процесса.
Существенное преимущество концепции COM заключается в том, что контейнер сопровождает путь продукта через производство. Сырьё может подготавливаться в контейнере, смесь образуется в той же ёмкости, а транспортировка готового продукта также происходит без повторной перегрузки. Благодаря этому отпадают дополнительные точки передачи. Меньшее число передач снижает риск потерь продукта, выделения пыли, перекрёстного загрязнения и сегрегации. Кроме того, использованный контейнер можно очищать или готовить следующий контейнер с сырьём, пока на станции смешивания уже обрабатывается следующая загрузка.
Благодаря активному спиральному смесительному инструменту контейнерный смеситель COM не ограничен чистым смешиванием свободным падением. Он может создавать определённый поток продукта и благодаря этому подходит также для более сложных задач смешивания. Компоненты с разной насыпной плотностью, разным размером частиц или низкой долей дозирования можно распределять более целенаправленно, чем в чистом опрокидывающем смесителе или смесителе свободного падения. Жидкости или влажные компоненты также в принципе можно вводить в смешиваемый материал, если поведение продукта, продолжительность смешивания и ведение процесса согласованы с этим.
Однако особая конструктивная черта COM заключается в том, что смесительный инструмент должен погружаться в контейнер сверху. Поэтому контейнеру требуется большое открытое поперечное сечение. Для некритичных, непылящих, нетоксичных и не имеющих запаха продуктов это во многих случаях хорошо управляемо. Для пылящих, опасных для здоровья, критичных по аллергенам или высокоактивных порошков этот интерфейс более требователен. При вводе и особенно при выводе смесительного инструмента может выделяться пыль. Для таких продуктов закрытая система со стандартными IBC и пылеплотными станциями стыковки зачастую подходит лучше.
Третья концепция — это конусный смеситель amixon® AM, который заполняется и снова опорожняется через стандартные контейнеры для сыпучего материала. В отличие от COM, здесь IBC не является камерой смешивания. Он служит накопительной, транспортной и приёмной ёмкостью. Собственно процесс смешивания происходит в стационарно установленном конусном смесителе. Стандартный контейнер, заполненный сырьём, стыкуется с загрузочным патрубком смесителя. После открытия арматуры сыпучий материал стекает в камеру смешивания. Затем загрузочная арматура закрывается, контейнер убирается, и начинается процесс смешивания. По завершении времени смешивания под смесителем размещается пустой IBC, который заполняется готовым продуктом.
Эта концепция объединяет логистические преимущества стандартизированных IBC с высокой технологической гибкостью стационарного прецизионного смесителя. Конусный смеситель может быть рассчитан на сложные рецептуры, различные свойства частиц, высокие требования к однородности, а также при необходимости на дозирование жидкости. При этом сырьё и готовый продукт вне процесса смешивания остаются в закрытых, транспортабельных ёмкостях. Для пылящих, токсичных, обладающих сильным запахом, критичных по аллергенам или высокоценных продуктов это может быть особенно выгодно. Передачи между контейнером и смесителем можно обеспечивать пылеплотными станциями стыковки, подходящей запорной арматурой, весами, вибрационными вспомогательными устройствами, фильтрами и более развитой техникой контейнмента.
Важное преимущество конусного смесителя со стандартной логистикой IBC заключается во временной и пространственной развязке отдельных производственных операций. Сырьё можно собирать и взвешивать в контейнере, пока смеситель ещё очищается или обрабатывает предыдущий заказ. Пока готовая смешанная загрузка уже фасуется или транспортируется дальше, смеситель уже может перерабатывать следующую загрузку. Поэтому дозирование, смешивание, опорожнение, фасовку, очистку смесителя, очистку контейнера и очистку последующих машин не нужно выполнять последовательно друг за другом. Именно при частой смене продукта и большом числе различных рецептур можно сократить время ожидания и повысить производительность.
Конусный смеситель AM при ограниченной высоте помещения может выполняться с системой подъёма-опускания. В классической контейнерной смесительной установке обычно требуются три уровня: уровень для заполненного накопительного контейнера над смесителем, уровень смесителя и уровень для приёмного контейнера под смесителем. Необходимая высота здания складывается из высоты обоих контейнеров и расположенной между ними камеры смешивания. С системой подъёма-опускания смеситель для заполнения можно опустить. Накопительный контейнер устанавливается на загрузочный патрубок и опорожняется. Затем контейнер убирается, смеситель поднимается вверх, а под выпускным отверстием размещается пустой приёмный контейнер. Таким образом контейнерную смесительную установку можно реализовать даже тогда, когда высота помещения недостаточна для расположенной друг над другом трёхуровневой установки.
При хорошо сыпучих продуктах конусный смеситель может опорожняться практически полностью. Это снижает потери продукта, облегчает смену рецептур и уменьшает риск того, что остаточные количества предыдущей загрузки повлияют на следующее смешивание. В зависимости от требований процесса смеситель и контейнер можно взвешивать. Готовую смесь можно выгружать не только в стандартные контейнеры, но и в биг-бэги, мешки или напрямую в фасовочную машину. Загрузочный и выпускной патрубки могут оснащаться устройствами стыковки, решениями контейнмента или соединительной арматурой для биг-бэгов.
Очистка также является существенным критерием выбора. У стационарного конусного смесителя крупноразмерные смотровые двери обеспечивают хороший доступ к камере смешивания. В зависимости от продукта и концепции гигиены установку можно очищать сухим или влажным способом. Пока смесительная установка очищается, другие контейнеры можно заполнять, очищать, готовить или направлять на фасовку. Развязка времени смешивания, времени очистки и логистики контейнеров повышает гибкость всей установки.
Таким образом, бочковый смеситель EM подходит прежде всего для загрузок на основе бочек объёмом примерно до 200 литров. Контейнерный смеситель COM выгоден тогда, когда контейнер для сыпучего материала должен одновременно служить смесительной, складской и транспортной ёмкостью и когда продукт некритичен с точки зрения пыли, запаха и опасности. Конусный смеситель AM со стандартной загрузкой и выгрузкой через IBC особенно подходит для более крупных или более сложных задач смешивания, для рецептур с высокими требованиями к качеству смешивания, для пылящих или опасных для здоровья продуктов, а также для производств, которые хотят гибко организовывать дозирование, смешивание, фасовку и очистку.