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Behältermischer / Taumelmischer

Trommelmischer

IBC-Behältermischer

Behältertumbler

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Einführung
2. Mischprinzip
3. Betriebsparameter für das Mischen
4. Detaillierte Spezifikationen
5. Häufige Probleme bei Behältermischern

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1. Definition eines Behältermischers

Was ist ein Behälter-/IBC-Mischer?

Behältermischer sind Mischer, bei denen die Mischbewegung durch Rotation des gesamten Behälters erreicht wird, wobei das Mischen durch freien Fall innerhalb der rotierenden Schale und ohne Rührwerke (mit einigen Ausnahmen) erfolgt. Freifallmischer sind in der Verfahrenstechnik für trockene Schüttgüter weit verbreitet, Mischen (Dazu zählen V-Mischer, Doppelmantelkegelmischer, Rotocubes, Trommelmischer oder Behältermischer,).

Obwohl es andere Mischer -Konstruktionen gibt, die in manchen Aspekten leistungsfähiger als Taumelmischer sind, bleibt dies eine sehr einfache Lösung für kleine Anwendungen oder zur Herstellung einer Vormischung , z. B.

Bei Behältermischern ermöglicht die Beweglichkeit des Behälters, in dem die Mischung erfolgt, zudem interessante Möglichkeiten zur Reduzierung von Handhabung, Förderung und Staubemission. Diese Mischertypen werden häufig in der Pharmazie oder Lebensmittelherstellung eingesetzt.

Diese Webseite konzentriert sich auf die detaillierte Auslegung von Taumelmischern, insbesondere von IBC-Behältermischern, die in den letzten Jahren eine bedeutende Weiterentwicklung erfahren haben.

2. Mischprinzip von Behältermischern

Was ist das Mischprinzip von Behältermischern und Trommelmischern?

Die meisten Freifallmischer sind rein diffusive Mischer, die bei Fr < 1 betrieben werden. Die Bewegung der Partikel wird nicht durch ein Rührwerk erzwungen, wie dies bei Bandmischern oder Paddelmischernder Fall ist. Die Partikelbewegung entsteht hier durch die Rotation des gesamten Mischers, was zur Folge hat, dass die Partikel abrollen (an der Oberfläche der Wirbelschicht im Mischer, wobei die Partikelbewegung einer "Lawine" ähnelt).

Da das Mischprinzip von Behältermischern und anderen Rotationsmischern auf der freien Bewegung der Partikel basiert, weisen diese Mischer bei kohäsiven Pulvernbegrenzte Leistungen auf. Tatsächlich wird im Mischer nur sehr wenig Kraft dissipiert, um Partikel desselben Typs zu trennen. Wenn der Mischer daher mit Schichten verschiedener kohäsiver Pulver gefüllt wird, können diese zusammenbleiben und sich nicht vermischen.

Andererseits können besonders frei fließende Feststoffe in diffusiven Mischern ebenfalls Probleme verursachen, die zu Entmischung (Demischung)führen. Ein häufiges Beispiel ist das Befüllen eines Rotationsmischers mit Kugeln unterschiedlicher Dichte: Nach scheinbarer Durchmischung trennen sie sich schließlich vollständig.

Trotz dieser Einschränkungen sollte man diese Art von Mischern nicht von vornherein ausschließen. Sie stellen tatsächlich eine sehr einfache, kostengünstige und zuverlässige Lösung dar und bieten in der Regel eine gute Zugänglichkeit für die Reinigung zwischen zwei Chargen, falls erforderlich. Die erzielte Homogenität ist zwar variabel, kann aber für bestimmte Anwendungen, insbesondere bei der Herstellung einer Vormischung für einen Hauptmischer, mehr als zufriedenstellend sein. Zudem ist zu beachten, dass das Produkt nicht mit Lagern oder Lagerdichtungen in Kontakt kommt, wodurch eine Kontaminationsquelle entfällt (zeitweise freigesetztes stagnierendes Produkt, Schmiermittel oder mechanischer Abrieb).

Abbildung 1: Freifallmischer

3. Leistung von Behältermischern: Mischbetriebsparameter

Bei diffusiven Mischern beträgt die Mischzeit typischerweise 5–15 Minuten. Dies ist im Vergleich zu anderen Mischern relativ lang und hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass kein Rührwerk die Partikelbewegung beschleunigt.

Die Mischerleistung, d. h. die Zeit bis zum Erreichen der gewünschten Homogenität, hängt von folgenden Betriebsparametern ab:

• Chargengröße : Die Arbeitskapazität von Behältermischern beträgt 50–60 % des gesamten Mischervolumens. Der Füllgrad ist für Freifallmischer absolut entscheidend. Die Schüttgüter benötigen tatsächlich Raum, um sich während der Rotation zu bewegen und so die Durchmischung zu fördern. Ist der Mischer zu voll, sind schlechte Variationskoeffizienten (CV) und/oder lange Mischzeiten zu erwarten.
• Mischgeschwindigkeit : Typische Mischgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 15–25 U/min, mit einer Froude-Zahl < 1. Es ist üblich, den Mischer während der Validierung bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Mischzeiten zu testen.
• Mischgeschwindigkeit und -zeit : Bei dieser Art von Mischern kommt es in der Regel auf die Anzahl der Umdrehungen an, sobald eine bestimmte Geschwindigkeit überschritten ist. Wenn die gewünschte Homogenität nach 10 Minuten bei 15 U/min (150 Umdrehungen) erreicht wird, kann versucht werden, die Mischung bei 7,5 Minuten und 20 U/min (150 Umdrehungen) zu validieren. Bei großen Geschwindigkeitsunterschieden können sich jedoch Änderungen ergeben, da die Rotationsgeschwindigkeit auch die Diffusion im Mischer beeinflussen kann.
• Vorhandensein von Leitblechen : Einige Mischer verfügen über Leitbleche (feste Platten im Mischer), um die Durchmischung zu fördern. Solche Leitbleche können die Mischung in manchen Fällen verbessern, der Effekt kann jedoch neutral oder sogar nachteilig sein.

Der Energieeintrag für Rotationsmischer ist relativ gering, im Bereich von 1 kW/m³.

Zusätzlicher Rührwerkantrieb

Einige Hersteller von Behältermischern bieten die Option an, im Mischer ein Rührwerk einzubauen. Der Mischer rotiert weiterhin, aber das zusätzliche Rührwerk sorgt für einen konvektiven Mischeffekt. Ein solches System kann die Leistung des Mischers, insbesondere bei kohäsiven Pulvern, verbessern, erhöht jedoch die Komplexität des Systems und die Reinigungsschwierigkeit – zwei Punkte, die vor dem Einbau eines Rührwerks zu berücksichtigen sind.

4. Behältermischer: detaillierte technische Spezifikationen

Behältertyp

Es existieren zahlreiche Ausführungen von Rotationsmischern. Doppelmantelkegelmischer und V-Mischer haben ein feststehendes Gehäuse und müssen an Ort und Stelle befüllt und entleert werden. In den letzten Jahren ist jedoch ein wachsender Trend bei Industrieunternehmen und Anlagenherstellern zu beobachten, die zunehmend auf Trommeln sowie Behälter- oder IBC- Mischer umsteigen. Solche Systeme bieten die Flexibilität, den Behälter an einen anderen Ort als den Standort des Mischers zu bringen. Der IBC kann somit zu einer Dosierstation transportiert, befüllt und vom Mischer zu einer Entladestation bewegt werden.

Behälter können sehr klein (20–50 Liter, eher in Trommelform) bis sehr groß (2–5 m³) sein. Große IBCs werden manchmal als "Gitterboxen" bezeichnet, weshalb der Mischer dann auch als Gitterboxenmischer bezeichnet wird.

Solche Systeme auf Basis von Trommeln und IBC-Behältern gewinnen in der Industrie zunehmend an Bedeutung. Behälterhandhabungsprozesse und IBC-Mischer finden insbesondere in der Pharmazie, Lebensmittel- und Babynahrungsindustrie Anwendung. Sie bieten große Flexibilität und ermöglichen verschiedene Fertigungskonzepte. Eine einzelne Mischstation wird genutzt, aber mehrere Behälter können eingesetzt werden, um die Produktivität zu steigern. Während ein Behälter gemischt wird, kann ein anderer befüllt und ein weiterer entleert werden. Die Auslastung der Anlage wird dadurch optimiert. Zudem kann die Dosierung auf innovative Weise, z. B. durch Dosierstraßen, erfolgen, oder der Transport der Behälter kann über fahrerlose Transportsysteme (FTS) realisiert werden. Durch den Einsatz spezieller Ventile können Befüllung und Entleerung hygienisch und ohne Materialverlust erfolgen.

Abbildung 2: Typischer IBC-Behältermischer-Prozess

Mischerzugang

Der Zugang zu Rotationsmischern ist in der Regel recht einfach. Da sich im Inneren des Mischers kein Rührwerk befindet, sind Inspektion und Reinigung zwischen den Chargen relativ unkompliziert.

Trommeln sind sehr leicht zugänglich, während große IBC-Behälter aufgrund der Notwendigkeit, die Oberseite des Behälters und den Mannlochdeckel zu erreichen, schwieriger zugänglich sein können. Aus diesem Grund sind auf dem Markt spezielle Reinigungsstationen für IBC-Behälter erhältlich, sowohl für die Trocken- als auch für die Nassreinigung.

Einlass- und Austragsventile

Bei klassischen Ausführungen wie Doppelmantel-Kegelmischern oder V-Mischern sind die Ventile in der Regel Klappenventile, manchmal sogar manuell betätigt, und der Austrag kann direkt in einen Sack oder zu einem weiteren Verarbeitungsschritt erfolgen.

Bei Trommelmischern sind in den meisten Fällen keine Ventile vorhanden; der Bediener öffnet einfach den Deckel und kippt die Trommel zum nächsten Verarbeitungsschritt. Zu beachten ist jedoch, dass zunehmend mehr Hersteller nun Trommeln mit konischem Auslass und Ventil anbieten, was die Handhabung vereinfacht.

Diese Angaben beziehen sich auf IBC-Container, bei denen in jüngster Zeit zwei verschiedene Ventiltypen auf dem Markt eingeführt wurden (mit vielen unterschiedlichen Ausführungen je nach Hersteller): Kegelventile und geteilte Klappenventile. Beide Ventiltypen versuchen, folgende Herausforderungen zu bewältigen: die Andockung des IBC-Behälters an die Füll- oder Entladestation so automatisch wie möglich zu gestalten und ein dichtes System zu bieten, das Staubemissionen während des Prozesses verhindert.

Instrumentierung

Da sich der Mischer dreht, ist keine Instrumentierung mit dem rotierenden Teil verbunden (z. B. Füllstandsmessung). Die Mischstation ist jedoch mit verschiedenen Instrumenten ausgestattet:

• Drehzahlsensor, falls erforderlich
• Sicherheitskäfig mit Verriegelung: Es ist zwingend erforderlich, Personen vom Mischer fernzuhalten, während er sich dreht, und zu verhindern, dass er bei geöffnetem Käfig startet.
• Die aktiven Teile der Austragsventile – sofern es sich um Kegelventile oder geteilte Klappenventile handelt – sind ebenfalls instrumentiert.

ATEX

Rotationsmischer sind aus ATEX-Sicht relativ vorteilhaft, da sich im Inneren des Mischers keine rotierenden Geräte befinden. Allerdings muss die Möglichkeit von Leckagen während der Rotation berücksichtigt werden, um die ATEX-Einstufung des Bereichs zu definieren.

5. Häufige Probleme bei Behältermischern

Wie lässt sich das Mischen in Trommelmischern verbessern?

Tabelle 1: Häufige Probleme bei Behältermischern

Problem	Empfehlung
Zu lange Mischzeit	Charge zu groß – weniger Produkt einfüllen Falsche Mischgeschwindigkeit Falsche Befüllreihenfolge
Zu geringe Kapazität	Mischzeit überprüfen Mehrere Trommelmischstationen parallel in Betracht ziehen

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Quellen

Mixing in the Process Industries, Harnby, Edwards, Wienow, Butterworth Heinemann, 1992
Food Mixing: Principles and Applications, Cullen, Wiley-Blackwell, 2009
Perry's Chemical Engineer's Handbook, McGraw Hill, 2008