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Trockenmischung von Pulvern - Bandmischer

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Einführung
2. Mischprinzip
3. Betriebsparameter beim Mischen
4. Detaillierte Spezifikationen
5. Dimensionierung des Mischers
6. Häufige Probleme bei Bandmischern
7. Kaufberatung - Auswahl von Bandmischern

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1. Was ist ein Bandmischer: Definition

Bandmischer bestehen aus einem Gehäuse in U-Form, in dem sich ein Rührwerk dreht. Das Rührwerk ist als doppelhelixförmiges Band ausgelegt, das eine konvektive Bewegung der Materialien in zwei Richtungen ermöglicht und so das Mischen von Pulvern und Schüttgütern bewirkt.

Bandmischer sind in der Verfahrenstechnik für die Trockenmischung von Schüttgütern weit verbreitet. Mischen. Obwohl andere Mischer -Konstruktionen existieren, die in einigen Bereichen (Mischgeschwindigkeit, hygienisches Design usw.) bessere Leistungen als Bandmischer erbringen, sind Bandmischer nach wie vor eine sehr einfache und robuste Lösung zum Mischen trockener Materialien, die anständige Mischleistungen bieten, die für viele Anwendungen ausreichend sind. Es ist nicht ungewöhnlich, dass in Fabriken 40–50 Jahre alte industrielle Bandmischer noch einwandfrei funktionieren. Viele Hersteller bieten industrielle Bandmischer an, von einigen hundert Litern bis hin zu mehreren Kubikmetern.

Wofür wird ein Bandmischer verwendet? Bandmischer werden tatsächlich in vielen Branchen eingesetzt, und Anwendungen: Pharmazie, Lebensmittel- und Backwaren, Kosmetik, Kunststoffe, Gewürze, Mischungen für Getränke, Zementmörtel und -estriche, Kaffee und Tee, Tabak usw.

Diese Webseite befasst sich detailliert mit der Konstruktion von Bandmischern, um Betreibern Auswahl- und Kaufrichtlinien an die Hand zu geben.

2. Funktionsprinzip des Bandmischers

Wie funktioniert der Mischmechanismus eines Bandmischers?

Bandmischer sind konvektive Mischer. Die Materialbewegung wird durch die Rotation des Bandes erzwungen, das das Produkt in zwei Richtungen zirkulieren lässt: Das Band besteht tatsächlich aus zwei Teilen – ein äußeres Band fördert das Produkt in eine Richtung, während ein inneres Band, das sich innerhalb des ersten befindet, das Produkt in die entgegengesetzte Richtung bewegt (es sind auch komplexere Profile möglich, um die Mischeffizienz und damit die Mischzeit zu optimieren). Durch ausreichend langes Mischen ermöglichen diese beiden axialen Bewegungen, kombiniert mit einer gewissen radialen Bewegung (die "schneidende" Wirkung der Blätter beim Rotieren), das Erreichen des erforderlichen Homogenitätsgrades. Die Steigung der Helix muss vom Hersteller so ausgelegt werden, dass die Richtung, in die das äußere Band das Material drückt, zur Auslassklappe des Mischers hin gerichtet ist. Andernfalls kann keine gute Entleerungsrate des Mischers erreicht werden.

Im Gegensatz zu Doppelschaufelmischern mit zwei Wellen wird das Pulver in einem Bandmischer nicht fluidisiert. Die optimale Mischgeschwindigkeit wird vom Mischerhersteller empfohlen; es können jedoch auch Versuche mit höheren oder niedrigeren Geschwindigkeiten (sofern der Antrieb unterschiedliche Geschwindigkeiten zulässt) durchgeführt werden, um den Einfluss auf die Mischqualität und die Produkteigenschaften zu überprüfen (im Allgemeinen erfordert eine niedrigere Geschwindigkeit eine längere Mischzeit, aber das Produkt kann weniger beschädigt werden).

Abbildung 1: Zeichnung eines Bandmischers

3. Betriebsparameter für das Mischen

Wie erreicht man eine gute Homogenität mit einem Bandmischer?

Bei Bandmischern beträgt die typische Mischzeit 3–5 Minuten. Bandmischer haben den Ruf, keine besonders kurze Mischzeit zu ermöglichen, was einige Betreiber dazu veranlasst, 10–15 Minuten zu mischen. Falls die Mischung keine Besonderheiten aufweist (z. B. Flüssigkeitseinspritzung), sollte eine so lange Mischzeit den Hersteller darauf aufmerksam machen, dass der Mischerbetrieb möglicherweise nicht optimal ist.

Die Leistung des Mischers, d. h. die Zeit, um die gewünschte Homogenität zu erreichen, hängt von den folgenden Betriebsparametern ab:

• Chargengröße: 70–80 % des gesamten Mischervolumens. Optisch sollte die Oberkante der Schaufeln leicht über dem Produktstand liegen, und es muss immer ein Freiraum zur oberen Abdeckung vorhanden sein. Ein sehr häufiges Problem ist die Überlastung von Bandmischern, was ihre Leistung stark beeinträchtigt. Zu beachten ist, dass auch ein Unterfüllen des Bandmischers nicht ratsam ist, da der Pulverstand das innere Band erreichen muss, um bewegt und damit gemischt zu werden.
• Mischgeschwindigkeit : Es sollten die Empfehlungen des Lieferanten befolgt werden. Die typische Mischgeschwindigkeit für mittelgroße Mischer (500–2000 l) liegt bei etwa 50 U/min (zu beachten ist, dass die Froude-Zahl für Bandmischer < 1 beträgt).
• Kleinere und Nebenbestandteile sollten nach den Hauptbestandteilen (oder schichtweise) in den Mischer gegeben werden, vorzugsweise im zentralen Bereich des Mischers.

Abbildung 2: Empfohlenes und maximales Mischvolumen für Bandmischer

Aktuelle Diskrete-Elemente-Simulationen (DEM) [Basinskas] von Bandmischern haben bestätigt, dass die wichtigsten Betriebsparameter, die den Mischgrad und damit die Mischzeit beeinflussen, folgende sind:

• Die Mischgeschwindigkeit: Höhere Mischgeschwindigkeiten führen zu kürzeren Mischzeiten.
• Der Füllstand: Ein Bandmischer sollte nicht unterfüllt sein. Liegt der Pulverstand beispielsweise unter der Welle, wirkt sich dies stark negativ auf die Mischqualität aus.
• Die Füllreihenfolge: Laut Simulation ist die axiale Durchmischung in einem Bandmischer nicht besonders gut (was überraschend ist, da die Bänder eigentlich eine axiale Förderung bewirken sollten). Das bedeutet, dass es besser ist, den Mischer schichtweise zu befüllen, anstatt eine Seite des Mischers mit einigen Komponenten und die andere Seite mit den restlichen Komponenten zu beladen.

Die Bewegung der Bänder hat einen erheblichen Einfluss auf das zu mischende Produkt. Die auf das Produkt ausgeübte Schubkraft in Kombination mit nicht besonders kurzen Mischzeiten führt in der Regel zu einem gewissen Bruch der Feststoffe.. Bruch bedeutet, dass die Partikelgrößenverteilung (PSD) sich ändert, da durch den Bruch größerer Partikel kleinere entstehen. Der Einfluss kann minimiert werden, indem die exakt benötigte Mischzeit (Homogenität) validiert und nicht unnötig länger gemischt wird sowie durch Optimierung der Mischgeschwindigkeit, um so niedrig wie möglich zu mischen. Dennoch ist mit einem höheren Bruchanteil zu rechnen als z. B. bei Doppelschaufelmischern mit zwei Wellen.

Bandmischer arbeiten gut mit frei fließenden Pulvern. Aufgrund ihrer Funktionsweise (Förderung durch ein rotierendes Rührwerk) können Bandmischer bei kohäsiven Pulvern weniger effektiv sein und sogar blockieren, wenn die Mischung sehr kohäsiv ist.

Der Energieeintrag für einen Bandmischer ist relativ gering und liegt im Bereich von 3–5 kW/m³.

4. Bandmischer-Auslegung – Detaillierte Spezifikationen

Schaufel- und Pflugschar-Konstruktionen

Einige Hersteller haben ihr Bandmischer-Design angepasst, indem sie das Rührwerk durch den Einsatz von Schaufeln oder Pflugscharen modifiziert haben. Diese Konstruktionen dürfen nicht verwechselt werden mit Doppelschaufelmischern mit zwei Wellen oder Scher-/Pflugscharmischern. Die Umstellung auf ein Einwellen-System mit Paddeldesign kann für sehr schlecht fließende Materialien, empfindliche Materialien oder bei Chargengrößen von nur 15–20 % der Nenn-Chargengröße vorteilhaft sein. Bei der Verwendung von Pflügen ist eine bessere Wirkung nahe der Mischerwand möglich; hohe Zentrifugalkräfte sollten jedoch vermieden und auf Schermischer / Pflugscharmischer mit zylindrischem Gehäuse beschränkt bleiben, im Gegensatz zu Bandmischern mit U-förmigem Trogdesign.

Zugang zum Mischer

Der Zugang zum Inneren eines Bandmischers für Reinigungs- oder Wartungszwecke ist nicht besonders einfach, da das Band viel Platz im Mischer einnimmt und eine komplexe Form aufweist.

Die gängigsten Zugangslösungen für Bandmischer sind Luken auf der Oberseite des Mischers, wobei manchmal die Möglichkeit besteht, den Deckel des Mischers vollständig zu öffnen (klappbarer oder schiebbarer Deckel). Einige Hersteller bieten ein Extraktionssystem für das Band an, das das vollständige Entnehmen des Bandes ermöglicht. Dies ist zwar möglich, erhöht jedoch die Kosten und die mechanische Komplexität.

Die Öffnung des Mischers muss erkannt werden, damit der Mischer nicht gestartet werden kann – aus Sicherheitsgründen für Bedienpersonal, das Zugang zum Inneren des Mischers hat. Zugänge müssen durch Verriegelungen gesichert sein, die das Öffnen blockieren, wenn der Mischer läuft, und erkennen, wenn sie geöffnet wurden.

Bei hygienischen Anwendungen ist besondere Sorgfalt geboten, da das Band vollständig verschweißt sein muss, um lose Teile zu vermeiden, die in das Produkt gelangen könnten. Die erschwerte Zugänglichkeit für die Reinigung bedeutet, dass das Risiko von Kreuzkontaminationen durch den Anlagenbetreiber sorgfältig abgewogen und verwaltet werden muss.

Austragventile

Auf dem Markt sind 3 Arten von Austragventilen erhältlich, abhängig von den Lieferanten und den Anforderungen des Kunden.

• Einfache Klappenventile: Austragventile haben eine rechteckige Form. Dies ist die gängigste Bauform.
• Hygienische runde Austragventile: Das Ventil hat eine runde Form und minimiert im geschlossenen Zustand die Spalte, in denen sich Produkt ablagern und nicht gemischt werden kann – im Gegensatz zur ersten Ventilart, die größere Spalte aufweist. Diese Ventile haben eine begrenzte Größe, was die Austragszeit verlängern und damit die Mischerkapazität reduzieren kann.
• Bombentüren: Der Boden des Mischers kann durch große Klappen vollständig geöffnet werden. Der Hauptvorteil besteht darin, dass die Mischzeit sehr kurz ist (weniger als 30 s) und die im Mischer verbleibende Produktmenge sehr gering ist. Allerdings muss auf die Dichtheit der Türen im geschlossenen Zustand sowie auf den Zugang zur Reinigung unter den Türen geachtet werden.

Je nach gewählter Technologie wird der Mischer in einen Trichter entleert, der entweder direkt mit den Bombentüren oder Klappenventilen des Mischers verbunden ist oder über ein kurzes Rohr mit dem Mischer (rundes Ventil) verbunden wird.

Instrumentierung

Folgende Instrumentierung kann an Bandmischern vorkommen:

• Drehzahlsensor: bestätigt Rotation und Drehzahl der Wellen
• Temperatursensoren: an den Lagern positioniert, ermöglichen die Erkennung abnormaler Erwärmung durch defekte Lager
• Durchflussmesser: an der Druckluftversorgung für die Lagerdichtungs-Spülung positioniert. Die Lagerdichtungs-Spülung stellt eine wichtige Funktion dar, um das Eindringen von Produkt in die Lager zu verhindern, was diese beschädigen oder das Pulver entzünden könnte – eine potenzielle Zündquelle für Staubexplosionen.
• Ventilpositionsensor: ermöglicht die Erkennung, ob das Austragventil geschlossen ist
• Sicherheitsverriegelungen: an jeder Zugangstür angebracht, sichern die Maschine, indem sie verhindern, dass Bedienpersonal während des Betriebs Zugang zum Mischer erhält oder der Mischer gestartet wird, wenn ein Zugang geöffnet ist.

ATEX – Staubexplosionsrisiken in Bandmischern

Um Pulver zu verarbeiten, müssen Bandmischer, die mit einer Mischwerkzeug-Spitzengeschwindigkeit von > 1 m/s arbeiten, folgende Merkmale aufweisen, um Staubexplosionsrisikenzu verhindern:

• Der Abstand zwischen den Paddelspitzen und dem Mischergehäuse muss groß genug sein, um jeden Kontakt zwischen Band und Gehäuse zu vermeiden
• Die Lagerdichtungen müssen unter Druck stehen
• Während des Befüllens und Entleerens muss die Mischergeschwindigkeit so gewählt sein, dass die Spitzengeschwindigkeit der Paddel < 1 m/s beträgt

Die Band-Spitzengeschwindigkeit kann mit folgender Formel berechnet werden:

Mit:
- R ist der Radius des Mischwerkzeugs (Mitte der Welle bis Paddelspitze) in m
- n ist die Mischerdrehzahl in U/min

Gleichung 1: Spitzengeschwindigkeit

Reinigung von Bandmischern (hygienische Anwendungen wie Lebensmittel oder Pharmazie)

Die Sicherstellung von Sauberkeit und Hygiene bei Bandmischern ist in Branchen wie Pharmazie, Lebensmittelverarbeitung und Kosmetik von entscheidender Bedeutung, wo die Produktreinheit kritisch ist. Geeignete Reinigungs- und Desinfektionsverfahren entsprechen nicht nur den regulatorischen Standards, sondern tragen auch zur Langlebigkeit der Ausrüstung und zur Qualität des Endprodukts bei.

Zugängliches Design für effiziente Reinigung

Das Design von Bandmischern beeinflusst maßgeblich die Leichtigkeit und Effektivität des Reinigungsprozesses. Eine optimale Reinigung erfordert zugängliche Komponenten, minimale Spalte und Oberflächen, die der Produktanhaftung widerstehen. Die Auswahl von Bandmischern mit gut gestalteten Zugangspunkten, wie z. B. Luken oben, erleichtert die gründliche Reinigung und reduziert das Risiko von Kreuzkontamination zwischen Chargen.

• Designmerkmale bewerten: Bandmischer mit obenseitigen Luken, klappbaren oder schiebbaren Abdeckungen bevorzugen, um bequemen Zugang zu den inneren Komponenten zu ermöglichen.

• Materialeigenschaften prüfen: Bandmischer aus Materialien wählen, die der Produktanhaftung widerstehen, um die Reinigung zu erleichtern und das Risiko von Rückständen zu minimieren.

Sicherheitsmaßnahmen während der Reinigung

Sicherheit sollte während der Reinigungsarbeiten oberste Priorität haben. Sicherheitsfunktionen wie Verriegelungen, die das Öffnen von Zugangstüren während des Mischbetriebs verhindern, schützen Bedienpersonal vor potenziellen Gefahren. Erkennungssysteme, die signalisieren, wenn Zugangspunkte geöffnet werden, tragen zu einer sicheren Arbeitsumgebung bei.

• Sicherheitsverriegelungen installieren: Bandmischer mit Sicherheitsverriegelungen an jeder Zugangstür ausstatten, um unbefugtes Öffnen während des Betriebs zu verhindern. Dies kann durch elektromechanische Verriegelungen (Schmersal, Steute ...) oder ein "Trapped-Key-System" (Fortress, Allen-Bradley ...) erfolgen.

Hygienische Gesichtspunkte

In Anwendungen, bei denen Hygiene entscheidend ist – wie in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie –, ist ein hygienisches Design unerlässlich. Vollständig verschweißte Bänder reduzieren das Risiko loser Teile, die das Produkt kontaminieren könnten. Allerdings muss die Komplexität des Zugangs zu inneren Komponenten gegen die potenziellen Risiken von Kreuzkontamination abgewogen werden.

• Vollverschweißte Bänder wählen: Bandmischer bevorzugen, bei denen die Bänder vollständig verschweißt sind, um lose Teile zu vermeiden, die die Produktintegrität beeinträchtigen könnten.

• Reinigungsherausforderungen bewerten: Die hygienischen Vorteile der Vollverschweißung mit den Herausforderungen beim Zugang zu inneren Komponenten für die Reinigung abwägen. Bei Bedarf zusätzliche Reinigungsvalidierungsprozesse anwenden.

Reinigungsvalidierung und Dokumentation

Die Einrichtung eines robusten Reinigungsvalidierungsprozesses stellt sicher, dass Bandmischer die erforderlichen Sauberkeitsstandards erfüllen. Die Dokumentation der Reinigungsverfahren – einschließlich der verwendeten Materialien und der Reinigungshäufigkeit – trägt zur Qualitätssicherung und zur Einhaltung branchenbezogener Vorschriften bei.

• Reinigungsvalidierungsprotokolle entwickeln: Umfassende Protokolle für die Reinigungsvalidierung erstellen, in denen die Methoden, Materialien und Kriterien für eine erfolgreiche Reinigung festgelegt sind.

• Detaillierte Dokumentation führen: Sorgfältige Aufzeichnungen über Reinigungsaktivitäten führen, einschließlich Datum, verwendeter Reinigungsmittel und Abweichungen von den Standardverfahren. Diese Dokumentation dient als Nachweis der Compliance bei behördlichen Inspektionen.

5. Auslegung von Feststoffmischern

Der Mischer sollte der Engpass der Mischanlage sein, d. h., er sollte nicht durch vor- oder nachgelagerte Prozessabschnitte verlangsamt werden. Die Kapazität der Anlage sollte vorgegeben sein, und die Chargengröße sollte entsprechend gewählt werden, wobei auch eine geschätzte Anzahl von Chargen/h zu berücksichtigen ist.

Chargengröße (kg) = Kapazität (kg/h) / Anzahl Chargen pro Stunde (/h)

Da der Mischprozess volumetrisch abläuft, ist die Kenntnis der Schüttdichte der Mischung für die korrekte Auslegung des Mischers erforderlich.

Chargengröße (l) = Chargengröße (kg) / Schüttdichte der Mischung (kg/l)

Zusätzlich ist kritisch zu beachten, dass das System nie zu 100 % seiner Kapazität gefüllt werden sollte, um Platz für die Partikelbewegung zu lassen.

Gesamtgröße des Mischers (l) = Chargengröße (l) / 0,7

Mischer haben in der Regel einen maximalen Füllgrad zwischen 0,65 und 0,8.

6. Häufige Probleme bei Bandmischern

Allgemeine Fehlerbehebungsanleitung für Bandmischer

Bandmischer sind in der Regel zuverlässige Anlagen, jedoch können bestimmte Probleme Korrekturen erfordern:

Tabelle 1: Häufige Probleme bei Bandmischern

Problem	Ursache und Maßnahme
Band blockiert	Zu hohe Schüttdichte des Pulvers – Dichte / Chargengröße reduzieren Mischer während des Befüllens mit niedriger Drehzahl starten und erst nach dem Austrag anhalten
Zu lange Mischzeit	Mischer überfüllt – Chargengröße reduzieren Mischgeschwindigkeit zu niedrig – Mischgeschwindigkeit erhöhen Füllreihenfolge falsch – sicherstellen, dass kleine Bestandteile zwischen den Hauptkomponenten geladen werden; sicherstellen, dass die Bestandteile schichtweise über die gesamte Länge des Mischers verteilt und nicht einseitig (links/rechts) konzentriert werden, bevor die Mischung beginnt
Produktschäden, -bruch	Zu lange Mischzeit Zu hohe Geschwindigkeit

7. Kaufleitfaden für Bandmischer – Auswahl eines Bandmischers

7.1 Kauf eines neuen Bandmischers

Beim Beschaffen eines neuen Bandmischers für Ihre Anlage müssen folgende Fragen beantwortet werden, um die richtigen Spezifikationen zu wählen:

• Wie hoch ist der erwartete Durchsatz der Linie? Wie hoch ist die Produkt-Schüttdichte der zu mischenden Materialien? Wie hoch sind die erwartete Mischzeit und Zykluszeit? Dies bestimmt die Größe des zu beschaffenden Bandmischers. Beachten Sie, dass der Bandmischer nicht zu mehr als 80 % seines Gesamtvolumens
• befüllt werden sollte. Handelt es sich um eine Anwendung, die Reinigung erfordert? Falls ja, sollten Zugangstüren oben am Mischer für die Reinigung sowie Sicherheitsverriegelungen an den Zugängen berücksichtigt werden.
• Wird ein abrasives Produkt verarbeitet? Falls ja, sollte mit dem Lieferanten des Bandmischers die Legierung besprochen werden, aus der der Mischer gefertigt werden kann.
• Wie schnell soll der Mischer entleert werden? Auf welche Weise? Dies liefert die notwendigen Eingabedaten für das Austragventil.
• Befindet er sich in einem ATEX -Bereich? Falls ja, muss der Mischer zertifiziert sein, der Abstand Paddel/Gehäuse garantiert, die Lagerdichtungen müssen unter Druck stehen, und ggf. sollte ihre Temperatur überwacht werden.

7.2 Gebrauchter Bandmischer

Auf dem Markt sind viele gebrauchte Bandmischer erhältlich. Bei der Suche nach einem gebrauchten Mischer sollten Sie folgende Punkte prüfen :

• Wurde der Bandmischer für eine ähnliche Anwendung wie Ihre Anforderungen eingesetzt?
• Prüfen Sie auf Schäden an den Mischbändern, Kratzer im Inneren des Gehäuses, messen Sie den Spalt zwischen Band und Gehäuse – es darf keinen Metall-Metall-Kontakt geben
• Fahren Sie den Mischer an, hören Sie auf die Lager und messen Sie – falls möglich – die Vibrationen
• Kann der Mischer bei Bedarf gereinigt werden?
• Kann der Deckel für Ihre Anforderungen (z. B. Anschlüsse) modifiziert werden?
• Nicht alle Mischbänder sind gleichwertig; führen Sie – falls möglich – einen Test mit Ihrem Produkt durch, um die Homogenität zu überprüfen und die Produktdegradation während des Mischvorgangs zu bewerten
• Ist das Austragsventil funktionsfähig?
• Prüfen Sie alle mit dem Mischer gelieferten Mess- und Regelgeräte
• Ist der Mischer ATEX-konform für den von Ihnen definierten Bereich? Falls nicht, kann er nachgerüstet werden?

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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
[Basinskas] Numerische Untersuchung der Mischwirkung eines Bandmischers unter Verwendung der Diskrete-Elemente-Methode, Basinskas et al, Powder Technology, 287 (2016) 380–394