Fest-Flüssig-Mischer (Suspensionen)
Fest-Flüssig-Mischausrüstung
Wie mischt man Feststoffe und Flüssigkeiten effizient?
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| 1. Einführung in die Fest-Flüssig-Suspension |
| 2. Fest-Flüssig-Suspension in Rührtanks |
| 3. Fest-Flüssig-Suspension mit einem Inline-Hochscher-Mischer |
Diese Seite konzentriert sich auf Fest-Flüssig-Mischausrüstung. Die Erzeugung einer Suspension von Feststoffen in der Flüssigkeit, auch als Schlamm bezeichnet, erfolgt mithilfe von Fest-Flüssig-Mischgeräten wie Rührtanks und Hochscherpumpen. Wichtige Konzepte werden hier erläutert.
1. Einführung in die Fest-Flüssig-Suspension
Was ist Fest-Flüssig-Mischen?
Das Fest-Flüssig-Mischen ist ein weitverbreiteter Prozess in der Verfahrenstechnik, wobei die Ziele eines solchen Verfahrensschritts vielfältig sein können: einfache Suspension, Flockung, Auflösung, Kristallisation usw.
Von den verschiedenen Aufgaben, die Fest-Flüssig-Mischer erfüllen, konzentriert sich diese Seite auf die Erzeugung einer Suspension von Feststoffen in der Flüssigkeit. Eine solche Fest-Flüssig-Suspension wird oft auch als Schlamm bezeichnet.
Das Mischen von Feststoffen und Flüssigkeiten zur Erzeugung einer Suspension erfolgt häufig in folgenden Geräten:
- Rührtank
- Hochscherpumpen
Beide Konzepte werden auf dieser Seite erläutert.
Ein solcher Suspensionsvorgang wird oft eingesetzt, um das Gemisch zu einer weiteren Verfahrensstufe zu fördern, z. B.: Mahlung. Dabei ist es wichtig, eine gute Homogenität und eine ausreichend stabile Suspension zu haben, damit sich die Feststoffe nicht absetzen und Rohrleitungen verstopfen.
Die Auslegung des Mischers hängt von folgenden Faktoren ab:
- Der Feststoffanteil in der Suspension
- Die Rheologie der Suspension (das Mischen von Feststoffpartikeln mit Flüssigkeit, insbesondere feine Partikel, kann zu stark nicht-newtonschem Verhalten führen)
- Die verfügbare Zeit zur Herstellung der Suspension, falls die Suspension längere Zeit im Tank verbleiben muss
- Wie die Partikel benetzt werden können, sowie die Tendenz, dass diese Partikel aufschwimmen
Solche Mischer finden sich in vielen Industrien:
- Landwirtschaft / Tiernahrung
- Lebensmittelverarbeitung / Backwaren
- Milchindustrie und Säuglingsnahrung
- Pharmazeutische Industrie
- Kosmetikindustrie
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2. Fest-Flüssig-Suspension in Rührtanks
Wie mischt man Feststoffe und Flüssigkeiten?
Die einfachste Form eines Fest-Flüssig-Mischers ist ein Rührtank, der nach demselben Prinzip wie die Mischung von Flüssigkeiten funktioniert. Die Dispergierung von Feststoffen in einer Flüssigkeit stellt jedoch spezifische Herausforderungen, die durch die Wahl spezieller Rührer oder sogar durch die Kombination von Rührern gelöst werden müssen.
Die Wahl des Rührers hängt davon ab, wie schwierig das Gemisch ist:
- Einfache Suspension, keine Viskositätsänderung des Gemischs: Hohe Scherkräfte sind nicht erforderlich, der Rührer ist hauptsächlich axial und kann für eine gute Pumpleistung ausgelegt werden.
- Schwierige Suspension / Tendenz zur Aggregation: Der Rührer ist radial und muss dem Gemisch starke Scherkräfte zuführen.
- Turbinen
- Rotor-/Stator-Rührer
- Suspensionen, die zu einer starken Viskositätsänderung führen: Es kann notwendig sein, zwei Rührer im Behälter zu kombinieren, die zwei Zwecken dienen: 1 radialer Rührer zur Scherung und 1 tangentialer Rührer für viskose Flüssigkeiten, um Totzonen im Tank zu vermeiden und ein Absetzen der Partikel zu verhindern.
Typische Rührerprofile für Fest-Flüssig-Suspensionen sind folgende:
| Rührertyp |
Eigenschaften |
| Hochgeschwindigkeits-Dispergierer (Turbinen) | >1000 U/min Erzeugt einen Wirbel, der Partikel zum Rührer zieht, um sie zu dispergieren |
| Hochgeschwindigkeits-Dispergierer (Rotor-Stator) | Die Kombination aus Rotor und Stator ermöglicht das Ansaugen, Zentrifugieren und anschließende Aufbringen hoher Scherkräfte |
| Tangentialmischer (Anker) | Nur geeignet, um eine Suspension in Schwebe zu halten, nicht zur Erzeugung der Suspension |
| Propeller / Helix |
Axialströmung, ermöglicht das "Anheben" von Feststoffen vom Tankboden, falls die Viskosität nicht zu hoch ist |
| Kombination von Rührorganen | Typischerweise die Kombination aus einem Tangentialmischer und einem Dispergierer. Der Tangentialmischer verhindert Totzonen im Mischer, beugt Sedimentation vor, verbessert den Wärmeübergang an der Wand und führt Partikel zurück zum Dispergierer. Der Dispergierer sorgt für die Erzeugung der Suspension und kann in manchen Fällen nach der Suspensionsbildung abgeschaltet werden. |
| Planetenmischer | Mischen in kleinen, leicht zugänglichen Tanks. Besonders interessant, wenn die Mischung eine hochviskose Suspension erzeugt |
Es kann sinnvoll sein, zusätzlich eine Umwälzpumpe zu installieren, die hilft, das Absetzen der Suspension zu verhindern.
Die Zugabe von Feststoffen zu Flüssigkeiten in einem Rührtank kann herausfordernd sein – insbesondere bei nicht löslichen Partikeln, die sich gut mit der Flüssigkeit benetzen. Ein Risiko besteht darin, dass die Feststoffe auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmen und viel Zeit benötigen, um benetzt und in die Flüssigkeit eingearbeitet zu werden. [Dickey] gibt Hinweise zur Bewältigung dieses Problems:
- Anpassung der Partikelgröße der Feststoffe, falls möglich (nicht zu fein)
- Verwendung eines Tensids zur Verbesserung der Benetzung, falls möglich
- Anpassung der Zugaberate des Pulvers – langsam und gleichmäßig, um zu vermeiden, dass sich eine dicke Produktschicht auf der Flüssigkeitsoberfläche bildet, die später nur schwer einzuarbeiten ist. Die Zugabe kann auch schrittweise erfolgen: Zugabe, Mischen, erneute Zugabe ...
- Die Rührung muss die Feststoffe in die Flüssigkeit ziehen, was durch einen kleinen Wirbel erreicht werden kann
Ein Inline-Schermischer, wie unten vorgeschlagen, kann in manchen Fällen eine Lösung darstellen, um eine vollständige und schnelle Benetzung der Partikel zu erreichen. Das Gemisch kann dann in einen Rührtank geleitet werden, um die Mischung abzuschließen oder einfach vor Entmischung zu schützen.
3. Fest-Flüssig-Suspension mit einem Inline-Hochscher-Mischer
Es ist auch möglich, eine Fest-Flüssig-Suspension mithilfe von Hochscher-Rührwerken zu erzeugen, die ähnlich wie Pumpen funktionieren. Diese Systeme gibt es in verschiedenen Varianten und sie werden typischerweise in der Umwälzleitung eines Tanks eingesetzt, in dem Feststoffe in die Flüssigkeit eingearbeitet wurden. Es gibt jedoch Ausführungen, bei denen die Pumpe unter einem Feststoffbehälter positioniert werden kann, sodass Pulver direkt in die Pumpe dosiert werden kann, ohne es vorher in einem Tank benetzen zu müssen.
