Смесително и хомогенизиращо оборудване в промишлеността

B различните сектори на индустрията се прилагат широк набор от операции, свързани със смесване и хомогенизиране на дадени субстанции. За целта се използва разнообразна гама от индустриални миксери, блендери, бъркачки и друго смесително оборудване. Този тип машини типично са част от производствени и преработвателни линии в хранително-вкусовата, химическата и фармацевтичната промишленост, производството на пластмаси, минната и строителната индустрия, водопречиствателните съоръжения и др.

Основната им задача е да смесват различни по вид, вискозитет, химичен състав и агрегатно състояние материали посредством едно или повече витла, остриета, лопатки, импелери, бъркалки и други аксесоари със специфичен дизайн, съобразен с конкретното приложение. Целта е получаване на смес с дадено качество и хомогенност.

Класификация на смесителното и хомогенизиращо оборудване
Индустриалното смесително и хомогенизиращо оборудване включва устройства за сухо смесване, миксери за пастообразни субстанции с много висок вискозитет, машини с високоскоростни модули за емулгиране, миксери-дробилки с остриета за намаляване на размера на твърдите частици в смесите и др.

Индустриалните миксери и блендери могат най-общо да се класифицират като статични, динамични и портативни в зависимост от типа на установката, както и като лабораторни, санитарни или промишлени спрямо мащаба на приложението им. Различните типове машини за смесване и хомогенизиране могат да работят при широка гама от температури и налягания, като по-специфичните модели включват и интегрирани системи за охлаждане или загряване на сместа, когато освен механично смесване е необходимо и протичането на даден физичен процес или химична реакция под въздействието на промяна в температурата.

В зависимост от типа на задвижване, индустриалните миксери и блендери могат да са електрически, пневматични и по-рядко – ръчни, с директно задвижване или с моторредуктори, с хидравлични механизми или електронни софтстартери за плавен пуск и стоп и др.

Високотехнологичните съвременни смесителни решения в промишлеността включват електронни системи за мониторинг на параметрите (скорост, температура, налягане, влажност и т. н.) и управление, интегрирани сензори и прецизна контролно-измервателна апаратура, програмируем логически контрол и висока степен на автоматизация.

Според типа и продължителността на смесителните операции оборудването може да бъде с прекъснат или с непрекъснат процес. В редица индустрии, например в хранително-вкусовата, са налице смесителни и хомогенизираща съоръжения, в които се обработват непрекъснато големи количества смеси.

За да се запазят съставът и свойствата на изходната смес (например хранителен продукт със стриктна рецепта и съдържание), отделните съставки се измерват и добавят по специална схема в непрекъсната производствена линия. Предимства на непрекъснатите смесителни операции са по-лесното почистване на оборудването, по-ниската енергийна консумация, по-високата гъвкавост и др.

Обхват и значение на смесителните и хомогенизиращи операции в индустрията
Смесването е ключов процес в редица индустрии. От критично значение са хомогенизиращите операции в: лабораторната дейност, химическата промишленост и петрохимията, хранително-вкусовата, фармацевтичната и козметичната индустрия и производството на алкохолни и безалкохолни напитки, биотехнологиите, целулозно-хартиената промишленост, производството и обработката на полимери, водоснабдяването и пречистването на питейни, отпадъчни води и утайки и др.

По дефиниция смесването представлява повишаване хомогенността на дадена субстанция с поне две съставки, които са с различна концентрация, агрегатно състояние или температура. Обикновено се цели протичане на реакция и промяна в свойствата на продукта. При мащабните преработвателни и производствени дейности успешното провеждане на смесителните и хомогенизиращи операции е свързано с влагането на много изходни продукти, ресурси и средства и риск от значителни загуби при недоброто им изпълнение.

Това може да доведе до забавяне на продуктови доставки, влошаване на имиджа на даден продукт заради различно от стандартното количество или качество, прекъсване на производствената дейност, излишни оперативни разходи и т. н. В някои от най-неприятните сценарии неефективното смесване или хомогенизиране може дори да причини повреди в оборудването и да наложи скъпи и времеемки ремонти.

Ключови изисквания към дизайна на смесителното и хомогенизиращо оборудване
Ключови за успешното изпълнение на смесителните операции са тяхната продължителност, процесните параметри, дизайнът на оборудването и др. Добре е да бъдат взети предвид и съпоставени предимствата и недостатъците на отделните типове миксери и блендери с цел избиране на най-подходящото решение за конкретното приложение, разглеждайки основно три негови характеристики – технология на смесване, дизайн на машината (смесителен модул или глава, резервоар, статична или динамична установка и др.) и задвижване/механични характеристики (здравина, устойчивост на натоварвания, вибрации, абразивни материали и химични субстанции и т. н.).

В повечето индустрии, включващи операции по смесване и хомогенизиране, са налице изисквания за санитарен дизайн на оборудването с цел ефективното му почистване и дезинфекция и недопускане развитието на микроорганизми, бактерии и зарази, които биха могли да застрашат здравето и безопасността на потребителите на продукцията.

В зависимост от конкретните санитарни стандарти, използваните индустриални миксери и блендери и всички техни компоненти трябва да отговарят на тези изисквания, като не включват зони в дизайна, предполагащи задържане на материали, прах или замърсявания, разполагат със съответните уплътнителни и присъединителни технологии, позволяват CIP и SIP процедури за почистване и стерилизация на място и др.

Базова конструкция и технически характеристики
Базовата конструкция на индустриалните миксери и блендери включва смесителен модул, съставен от задвижващ механизъм и съответната въртяща се приставка за разбъркване, и резервоар (наричан при някои системи още казан, басан или бункер, най-често обемен цилиндричен съд, изработен типично от неръждаем материал). В зависимост от сложността на установката, машината може да разполага и с носеща конструкция, платформа за резервоара, обособени фуниевидни приспособления за подаване на съставки, контролен пулт и др.

При избор на решение за дадено приложение е важно да бъдат взети предвид и техническите характеристики на системата. Типично отделните модели се отличават с различен диаметър на въртене на смесителната приставка или отстоянието от крайната външна точка на бъркалката до оста на въртене по две. Друга характеристика на индустриалните миксери е скоростта на въртене, измервана в обороти в минута (rpm) или в секунда (rps).

Достъпните на пазара хомогенизиращи системи се различават и по диаметъра и вместимостта на резервоара, които определят какво количество смес може да бъде хомогенизирана в рамките на един работен цикъл. Традиционни работни характеристики, насочващи потребителите при избор на машина, са мощността и типът на задвижването (с електрически, пневматичен мотор и др.), както и капацитетът на главата или движението на флуида/субстанцията, генерирано в резултат на въртенето на приставката.

Видове смесителни операции според агрегатното състояние на съставките
Често срещано приложение в индустрията е смесването на лесно смесими течни съставки, които образуват разтвор във всякакви концентрации. Това е и сравнително най-лесната задача, свързана с хомогенизиране. По-голямо внимание изисква изборът на оборудване за смесване на течности и твърди вещества.

Тук е необходимо постигането и поддържането на равномерна концентрация на сместа в целия резервоар, както и да се избегнат различни нежелани ефекти като слепване на твърдите частици, образуване на бучки и др. Тези ефекти могат да бъдат предотвратени чрез подходящ дизайн на бъркалката и резервоара.

Сред по-специфичните индустриални операции в тази сфера е смесването на течности и газове. При нея има една основна цел – диспергирането на газа в течността с максимална повърхнина за масообмен. При повечето многофазни индустриални системи тази задача се усложнява от особеностите на отделните процесни фази.

Газът във висока концентрация може да затрудни движението на импелера, повърхностните свойства на контактната зона между газа и течността могат да попречат на смесването и да доведат до нестабилност на субстанцията и системата. В съоръженията, при които за смесване на газ и течност е необходима промяна в температурата, налягането и други параметри, е необходим прецизен контрол на работните условия, за да се избегнат всякакви възможни рискове за операторите и оборудването.

В практиката особено предизвикателство се оказва смесването на течности с различен вискозитет. Когато вискозитетът на флуидите е еднакъв и те са лесно взаимно разтворими и смесими във всякакви концентрации, и най-елементарната бъркачка може да постигне търсените резултати по отношение на качество и хомогенност на сместа. При големи разлики във вискозитета обаче такава машина по-скоро ще върти течностите из резервоара без да осъществи реално смесване.

Важни за качеството на изходния състав са концентрациите и химичния състав, както и количеството на флуидите. По отношение на дизайна на оборудването, ключови са формата, траекторията и скоростта на движение на бъркалката. От съществено значение за процеса е и продължителността на смесването. Прекалено дългото разбъркване може да доведе до нежелано емулгиране или промяна в качеството на продукта. Недостатъчното третиране най-често се изразява в нехомогенна смес.

Видове индустриални миксери
Сред най-разпространените индустриални смесители са планетарните миксери, използвани за смесването на различни материали като лепила, фармацевтични и хранителни продукти (включително тесто), химикали, различни материали в електрониката, пластмаси, пигменти и др.

Този тип миксери са подходящи и за хомогенизиране на пастообразни смеси с много висок динамичен вискозитет (до 6 милиона сантипоаза) при атмосферни условия или във вакуум. Капацитетите им варират от десети от литъра до няколко хиляди литра. В зависимост от сложността на системата, планетарните миксери могат да разполагат с интегрирана отоплителна или охладителна инсталация, жакетна изолация, честотни регулатори и др.

Миксерите със затворен корпус или резервоар се използват широко в полимерната и каучуковата промишленост. Базовата им конструкция най-често включва две въртящи се спираловидни бъркалки, капсуловани в отделни цилиндрични корпуси. Двата корпуса имат обща вътрешна зона, в която се извършва самото смесване.

Миксерите с лентови бъркалки и лопатковите миксери са масово прилагано решение за разбъркване на твърди вещества или леки пастообразни смеси във всички процесни индустрии. Умерено заострените плоски бъркалки лесно раздробяват всякакви бучки и слепвания на твърди частици в сметта. Такива системи са достъпни във версии с двувалова конструкция, жакетна топлоизолация, херметически затворен корпус и др.

Барабанните миксери осигуряват лесно смесване на твърди вещества, включително субстанции с крехки и трошливи частици. Изчистеният вътрешен дизайн на барабан позволява лесно изсипване на сместа и последващо почистване.

Флуидизиращи миксери се използват за смесване на твърди вещества, когато са налице високи изисквания към хомогенността на продукта. Технологията позволява още смесване на гранули твърди вещества с течности и масла.

За смесване на пластмаси, каучук, лепила, смазки и други пастообразни флуиди с изключително висок динамичен вискозитет (до 10 милиона сантипоаза) се прилагат т. нар. смесителни екструдери, които най-често са с шнекова конструкция. Те са подходящи за разбъркване на карбонова паста, керамика, прахообразни метали и др.