对于同一类型混合机内5升至5000升的灵活批量(粉状物料),有哪些解决方案?
要处理5至5,000升之间的批量,对混合技术及工艺开发提出了很高要求。在此须区分两个问题。第一是关于单台混合机能够合理处理的最小和最大填充量;第二是关于某一混合工艺从实验室设备向同系列更大规格生产型混合机的可转移性。
单台混合机通常无法合理覆盖5至5,000升的范围。这相当于1比1,000的比例关系。在填充量极小的情况下,混合工具无法充分浸入产品之中。此外,在小批量情况下,壁面摩擦、残留量、可排空性和清洁工作量的重要性会大幅上升。因此在实践中,采用几何结构和功能相近的混合机系列——涵盖实验室、中试和生产型混合机——通常是更优的解决方案。
对于填充率变化幅度较大的情况,尤其适合采用具有锥形容器几何结构的立式混合系统。按照瑙塔原理运行的锥形螺旋混合机,能将产品引导至容器最低点。即使在填充量相对较少的情况下,环绕运行的螺旋依然能对产品保持有效作用。带有大面积、贴近底部工作的混合工具的立式单轴或双轴混合机,同样能够覆盖较宽的填充率范围。但能否达到某一特定的最小填充量,始终取决于散装物料、粒径、堆积重量、流动特性、混合任务及工具几何结构。
要在同一台设备内实现高度灵活性,需要匹配的容器和混合工具几何结构。锥形底部或经专门设计的底部几何结构,可确保即使在部分填充状态下,混合工具的作用区域内也有足够的产品。贴近底部布置的工具,可改善下部区域的产品运动,并减少静止区域的形成。
变频驱动可实现转速和混合强度根据填充率及产品特性进行调节。较低的转速可保护敏感颗粒,而在某些混合任务中,较高的转速则能加快混合过程。但所需转速不能仅从恒定的比功率输入推导得出。对于干燥散装物料而言,重力、壁面摩擦、颗粒形状及内聚力同样决定着混合行为。
良好的可排空性对小批量而言尤为重要。低死区的出料部件及在结构上有利的容器几何形状,可减少残留量。批量越小,产品残留对收率、配方准确性及交叉污染的百分比影响就越大。若产品需要温控,则可考虑采用相应调整的加热或冷却结构。但对于粉状物料而言,须核实在低填充量条件下传热是否仍然充分。
在实践中,5至5,000升的范围通常由涵盖多个设备规格的混合机系列来覆盖。为实现可靠的放大,各混合机的基本几何结构和作用方式应保持可比性。这包括混合工具与容器直径之比、容器高度、工具的布置位置,以及产品运动的方式等。
在放大过程中,圆周速度、弗劳德数、比功率输入或能量输入等特征值可作为参考依据。但这些特征值无法同时保持恒定。哪个特征值对放大起决定性作用,取决于具体的混合任务。对于自由流动的散装物料,通常以对流式产品运动为主要考量;而对于内聚性强、潮湿或含团聚体的粉体,剪切作用、混合时间及粉碎工具的设计则可能更为重要。
几何结构相似的混合机系列可减少开发工作量,但并不能替代中试或生产规模的试验。填充率、产品压力、堆积重量、卸料及加料时间等方面的差异,都可能影响混合均匀度。因此,关键配方应使用原始产品在多个设备规格下进行验证。除混合均匀度外,还须评估分离倾向、产品保护、残留排空、可清洁性及可重复性。
在经济和工艺技术层面均较为合理的解决方案,通常是为实验室、中试装置和生产环节配置一套一致的混合机系列。再辅以可用填充率范围尽可能大、配备变频驱动、低死区排空,以及与产品相匹配的混合工具几何结构的混合机。这样便可以生产出具有可比混合效果的开发批次、中试批量及生产批次,而不必超出单台设备的物理极限。
批量范围与设备规格:amixon®混合技术,从5升至100立方米
amixon®为开发批次、中试批量及大容积生产批次提供混合解决方案。其产品谱系从约5升起的小型单轴混合机,一直延伸到批量最大可达约100立方米的大型Gyraton®混合机。起决定性作用的不仅是额定容积,还包括在何种填充率、以何种产品、在多长时间内可以达到明确的混合均匀度这一问题。
单台混合机内的高度灵活性
许多amixon®混合机可覆盖较宽的填充率范围。根据混合机类型、产品和混合任务的不同,填充率可达到有效容积的约10%至100%。这样,一台生产型混合机就能处理不同的批量规模,而无需为每种批量规格单独配置一台设备。
例如,在配方和设计合适的情况下,一台HM 7000既可以处理部分批量,也可以处理全额定批量。但在800升和7,000升的情况下能否达到相同的混合时间和混合均匀度,须使用原始产品加以验证。较宽的填充率范围可减少对第二台设备的需求,但并不能替代针对工艺的评估,以及必要时对不同批量规模的资质确认。
amixon®的设备规格体系
EM系列单轴混合机适用于开发批次、小批量及即时(Just in Time)批次。根据具体型号,可采用标准桶作为混合容器。这有助于简化少量物料的处理,并可避免倒料环节。
COM系列容器混合机以Mixtainer或IBC作为混合腔体。它们可覆盖约100至4,000升的批量范围,尤其适用于容器同时作为运输、储存和混合容器使用的工艺场景。
VM、HM和AM系列立式混合机及锥形混合机,以及VMT和AMT系列真空混合干燥机及反应器,均提供多种设备规格。由此可使设备产能与所需批量紧密匹配。特殊结构还可实现最大约50,000升的大容积。
对于大批量物料,可选用Gyraton® GM。它可按约10至100立方米范围内的批量进行设计。具体的设备规格将根据产品、所需混合时间、填充率、安装现场条件及物料物流综合确定。
此外,amixon®还提供连续式混合和造粒解决方案。当重点并非单个批次,而是均匀的物料质量流时,此类方案尤为适用。间歇式与连续式工艺之间的选择,取决于配方、产量、清洁要求及所需的灵活程度。
产量取决于整个工艺过程
混合设备的实际产量并非仅由批量大小决定。混合时间、加料、计量、卸料、清洁及配方切换同样起决定性作用。因此,amixon®将节拍时间视为一个整体工艺过程来考量。
快速且尽可能完全的卸料,可显著提升设备可用性。KoneSlid® KS可实现快速的产品卸料。ComDisc®部件有助于实现残留排空,并可降低卸料过程中的分离风险。可达到的卸料时间和残留量,取决于产品及具体的设备配置。
结合技术中心验证的放大方案
amixon®各系列的设计,使相应的混合任务能够从开发阶段系统地转移至生产阶段。在同一混合机系列内,基本的混合作用方式和产品作用部件保持可比性。尽管如此,仅凭几何结构相似性并不能保证放大的可靠性。
因此,使用原始产品开展的混合试验,是设计工作的核心组成部分。在位于帕德博恩的amixon®技术中心,配备有30余台不同规格的测试设备。此外,在日本、印度、泰国、中国、韩国及美国还设有配套技术中心。试验可在贴近实际的填充率、批量规模,以及预定的温度和压力条件下进行。
评估内容包括混合均匀度、产品保护、能量输入、可排空性、可清洁性及可重复性。试验结果为设备规格的选定及后续批量生产中工艺参数的确定提供了依据。
面向配方切换的卫生化设计
amixon®卫生化设计支持快速的产品切换和良好的可清洁性。混合腔体与混合工具均采用无缝焊接并打磨处理。混合工具仅在上部支承。因此可省去接触产品的下部轴贯穿部位。
配备OmgaSeal®密封件的Clever-Cut®检修门,可便捷接触所有接触产品的表面。低死区的出料部件及可选配的集成清洗喷枪,支持干式或湿式清洁。根据具体应用,设备可按食品、制药或化工行业的卫生要求进行调整。
因此,amixon®所提供的并非一台能够覆盖5至5,000升整个范围的单一设备,而是一套经过统筹协调的模块化系统。它将单台混合机内的灵活填充率,与丰富多样的设备规格选择,以及贴近工艺实际的技术中心验证结合在一起。