从实验室换算到生产规模的混合时间时,适用哪些放大规则?
粉末混合工艺的放大主要基于几何相似性、可比的产品特性,以及对主导混合机制的保持。关键并非从实验室按公式计算转移某一特定混合时间,而是在更大规模下实现同样可证明的混合均匀度及分离稳定性。
实验室、技术中心与生产用混合机之间的几何相似性是一项有利条件。这包括可比的容器及混合工具几何结构、相同的内部构件、相似的进出料条件,以及可比的填充率。对于几何相似的粉末混合机而言,放大过程中填充率应尽可能保持恒定。
根据混合机类型不同,可采用不同的判定标准。对于翻转式、容器式、双锥式或V型混合机而言,容器旋转次数通常是一个合理的起点。而对于配备混合工具的对流式混合机而言,圆周速度、转速、比能量输入或工具旋转次数则可作为参考指标。具体采用哪种标准,取决于混合过程主要由对流、剪切、颗粒重排,还是解聚所主导。对于几何相似的粉末混合机,文献中特别提到,保持总旋转次数不变是一种与放大相关的合理方法。
因此,生产规模下混合时间的延长并非必然发生。在几何结构相似、填充率相同且混合机制可比的情况下,所需的旋转次数可以保持相近。但若因产品保护、机械负荷、防爆要求或驱动功率等原因而必须降低转速,实际混合时间仍可能延长。同样,加料、计量时间、卸料及后续输送也会影响总工艺时间。
产品特性具有特殊的重要性。粒度分布、松装密度、内聚力、水分、静电荷、团聚体强度及流动性应尽可能保持可比。否则,放大过程中混合机制可能发生变化,或分离风险可能增加。这一点对于密度或粒径差异较大的混合物,以及微量计量而言尤为重要。因此,在放大过程中必须检验实验室规模下的主导机制在生产用混合机中是否依然保持。
对于要求较高的粉末、糊状物或潮湿散装物料而言,弗劳德数等无量纲参数,以及圆周速度或比功率输入,可作为补充参考。但它们无法替代使用原始产品开展的试验。雷诺数与牛顿数主要是液体流动的参数,不应作为干燥粉末混合时间换算的一般依据。
弗劳德数适用于旋转式自由落体混合机、滚筒式混合机、抛甩式混合机,以及采用水平安装混合工具的系统。对于具有强制翻转功能的立式混合机而言,弗劳德数并非设计或放大标准。在此类混合机中,关键在于混合原理在所有规格下保持一致,且翻转运动能够覆盖整个混合空间而不受填充率影响;其可转移性需通过技术中心以原始产品进行验证来确认。
因此,可靠的放大通常需要通过实验室、技术中心或中试规模,逐步过渡到生产规模。此过程中需研究混合均匀度、混合时间、填充率、转速、加料顺序,以及必要时的解聚情况。评估不应仅依据平均值,还应考虑空间取样、分析离散度,以及卸料后的分离倾向。
amixon®所采用的放大规则——以及试验在何处替代计算
amixon®从实验室容器到大批量生产混合机的放大,基于明确的几何结构、可计算的流动状态,以及已记录的混合试验。其目标始终是理想的混合均匀度。
理想混合均匀度作为目标
- amixon®所有类型的混合机均以产生工艺上理想的随机混合为设计目标。
- 即使组分比例高达约1:100,000,且在整个填充率范围内,在短混合时间后即可达到实践中已无法进一步改善的分布状态。
- 这一混合质量对立式混合机及球形混合机同样适用。
几何基础:翻转频率
- 放大方案基于明确定义的流动原理。
- 翻转频率描述了SinConcave®/SinConvex®螺旋混合工具对整个混合物料进行输送的次数。
- 一次翻转相当于整个混合腔体容积被混合工具向上输送一次;重力则负责实现向下的回流。
混合工具的输送能力(排量体积流量)可近似描述为:
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
其中:
- I_V:排量或输送体积流量
- D/d:螺旋外径与内径
- Φ:相对于有效容积的填充率
- S:螺旋螺距
- n:转速(每秒转数)
- ζ:工具特定的速度系数
由此可计算出每个混合时间内发生的完整翻转次数——与规格无关。若几何结构(D、d、S、ζ)实现一致的比例放大,则各规格之间的比混合能力原则上保持不变。
从实验室容器到生产设备
- 翻转公式为设计更大或更小规格的混合设备提供了坚实依据。
- 放大时,实验室或技术中心试验得出的"每混合时间的翻转次数"比例,将被转用于目标规格。
- 生产用混合机的转速、混合时间及填充率的选定,应确保产品经历与试验中相同次数的"统计学翻转"。
该方法在大容积球形或锥形混合机中尤为有帮助:混合时间并非估算得出,而是从输送特性及流动模式中推导,并与试验数据进行比对。
混合试验作为工艺技术保障
- 尽管有计算依据,技术中心仍是放大过程中的核心环节。
- 在真实条件下——使用原始产品、实际填充率及温度曲线——开展的混合试验可验证理论假设。
- 由此可及早发现分离倾向、团聚体行为、产品保护效果及可清洗性,并纳入设计方案之中。
各规格保持一致
在amixon®各规格产品中,三个核心要素始终保持不变:
- 混合原理(SinConcave®/SinConvex®整体环流:外围向上、中心向下)
- 特征性的工具几何结构
- 不受填充率影响的混合均匀度,仅约10%填充率时即可实现最高的混合均匀度
从实验室过渡到生产规模时,混合时间仅会发生适度变化。这需要通过试验来确定,因为它取决于具体产品的流动特性、密度差异及内聚力,无法通过简单的经验公式进行外推计算。