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V-Mischer

V-Mischer - V-Mischsystem

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Einführung
2. Anwendungen von V-Mischern
3. Funktionsprinzip des V-Mischers
4. Betriebsparameter für das Mischen
5. Detaillierte Spezifikationen des V-Mischers
6. Spezialausführungen des V-Mischers
7. Häufige Probleme mit V-Mischern
8. Kaufberatung

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1. Einführung

V-Mischer sind in der Verfahrenstechnik weit verbreitet, da sie eine einfache und oft ausreichende Methode zum Mischen von trockenen Schüttgütern (Pulver, Granulate, Pellets usw.) im Batch-Verfahren bieten.Sie sind einfach, zuverlässig und relativ leicht zu reinigen, was sie zu einer guten Wahl für kleine und mittlere Unternehmen in den Bereichen Lebensmittelverarbeitung oder Pharmazie macht. Sie können auch für das Vormischen in allen Arten von Industrien, groß oder klein, verwendet werden. Diese Seite bietet viele nützliche Informationen für Anlagenplaner, Fabrikbesitzer oder Betriebsleiter zur Auswahl eines V-Mischers oder zur Optimierung einer bestehenden Einheit: Anwendungen, Funktionsprinzip, Mischvolumen, Mischzeit.

2. Anwendungen

V-Mischer können zum Mischen von trockenen Schüttgütern verwendet werden. Sie finden insbesondere in folgenden Anwendungen Verwendung:

• Lebensmittelverarbeitung: Vormischungen, Getreide, Kaffeemischungen, Milchpulver, Vitaminpräparate, Suppen, Gewürze usw.
• Pharmazeutika: Mischen vor der Granulierung
• Kunststoffe: Mischen von Masterbatches, Mischen von Pellets
• Chemikalien: Metallpulver-Mischungen, Mineralien
• Bauwesen: Stahl-Vormischungen

3. Funktionsprinzip des V-Mischers

V-Mischer sind Rotationsmischer, auch Taumelmischer genannt.Das gesamte Gehäuse, das die Form eines "V" hat und aus zwei unter 75° bis 90° verschweißten Zylindern besteht, wird gedreht, wodurch die Komponenten durch diffuses Mischen vermischt werden.

Im Inneren des V-Mischers befinden sich keine Rührwerke; die Bewegung des Pulvers entsteht ausschließlich durch die Rotation des Gehäuses, die eine lawinenartige Bewegung des Produkts erzeugt. Nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen wird eine optimale Durchmischung erreicht. Aufgrund des Fehlens eines Rührwerks ist zu beachten, dass diese Art von Mischern mit frei fließenden Feststoffen zufriedenstellend arbeitet, bei kohäsiven Feststoffen jedoch weniger effektiv ist, da diese durch die Rotationsbewegung nicht ausreichend dispergiert werden können.

Diese Mischer sind in der Regel mit zwei Öffnungen oben am "V" ausgestattet. Die V-Form erleichtert das Entleeren des Mischers am Ende des Mischvorgangs.

Aufgrund der (langsamen) Taumelbewegung und des Fehlens eines Rührwerks ist das Mischen in der Regel schonend für die Komponenten, sodass nur minimale Schäden an den Inhaltsstoffen zu erwarten sind. Allerdings kann die Notwendigkeit, frei fließende Materialien zu verwenden, auch nachteilig in Bezug auf Entmischungsein, ein Punkt, der bei der Validierung eines V-Mischers kontrolliert werden muss.

Abbildung 1: Zeichnung eines V-Mischers

4. Betriebsparameter für das Mischen

Bei V-Mischern beträgt die Mischzeit in der Regel 10–15 Minuten. Häufige Probleme, die zu einer langen Mischzeit oder zu einer nicht ausreichenden Homogenität (Cv) führen, sind eine Überfüllung des Mischers oder die Verwendung von Materialien, die nicht frei fließend genug sind oder zwar frei fließend, aber mit großen Partikeln/Dichteunterschieden. Auch die Art und Weise, wie der Mischer beladen wird, hat einen sehr hohen Einfluss auf die Mischzeit.

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

• Batch-Größe : 40 % bis max. 70 % des Gesamtvolumens des Mischers. Es ist sehr wichtig, in einem rotierenden, frei fallenden Mischer Freiraum zu lassen. Die Feststoffe müssen tatsächlich Platz haben, um sich zu bewegen, und der Füllstand der Schüttgüter sollte nicht zu hoch sein, um eine gute Materialdiffusion zwischen den beiden "Schenkeln" des V-Mischers zu ermöglichen. Eine Füllung von 70 % kann für manche Mischungen bereits zu hoch sein, daher müssen Versuche organisiert werden, um den Füllgrad des Mischers zu optimieren. Einige Quellen berichten von einem deutlichen Anstieg der erforderlichen Mischzeit aufgrund einer Überfüllung des Mischers: 3-mal länger bei 60 % im Vergleich zu 40 % und 2-mal länger bei 70 % im Vergleich zu 50 %.
• Mischgeschwindigkeit : Man sollte die Empfehlungen des Herstellers befolgen. Die typische Mischgeschwindigkeit für mittelgroße Mischer (500–2000 l) liegt bei etwa 10–25 U/min, abhängig von der Mischergröße (je größer, desto langsamer), mit einer Froude-Zahl < 1. V-Mischer haben eine kritische Geschwindigkeit, bei der die Zentrifugalkraft der Schwerkraft entspricht: Die optimale Mischgeschwindigkeit liegt im Bereich von 50 % bis 80 % der kritischen Rotationsgeschwindigkeit. Es ist zu beachten, dass die Rotationsgeschwindigkeit die Mischrate nicht stark beeinflusst, solange die Mischgeschwindigkeit weit von der kritischen Geschwindigkeit entfernt ist. Bei frei fließenden Pulvern ist der wichtige Parameter daher eher die Gesamtzahl der Umdrehungen, die zu einer homogenen Mischung führt: Dies ermöglicht in einigen Fällen eine approximative Hochskalierung unter der Annahme, dass die Gesamtzahl der Umdrehungen für beide Größen gleich ist (Hinweis: Dieser Ansatz ist mit Vorsicht zu verwenden, da er nicht immer gültig ist). Bei kohäsiven Pulvern ist dagegen die Rotationsgeschwindigkeit wichtig, da die Scherrate das Mischen fördert.
• Es ist sehr wichtig, einen solchen Mischer symmetrisch zu beladen. Wenn z. B. alle Bestandteile 1 im ersten "Schenkel" und alle Bestandteile 2 auf der anderen Seite sind, wird eine sehr lange Mischzeit benötigt. Es ist besser, schichtweise vorzugehen und bei kleinen Bestandteilen zu versuchen, diese in die Mitte der Hauptbestandteile zu geben. Wenn der Füllstand höher als die Verbindung der beiden Zylinder ist, sollte eine gleiche Menge Pulver in beide gegeben werden, um die Zykluszeit zu optimieren.

Abbildung 2: Empfohlenes und maximales Mischvolumen für V-Mischer

• V-Mischer sind sehr effizient, wenn die kleinen Bestandteile mindestens 1 % der Mischungsgröße ausmachen. Geringere Mengen können zu längeren Mischzeiten führen.

Der Leistungsbedarf eines V-Mischers ist relativ gering und liegt im Bereich von 1–3 kW/m³.

5. V-Mischer – Detaillierte Spezifikationen

Gesamtvolumen des Mischers, Nutzvolumen und Leistung

V-Mischer sind tatsächlich unter den Herstellern recht standardisiert. Hier ist ein typischer Bereich von Mischern mit folgenden Kapazitäten:

Berechnung der Kapazität eines V-Mischers

Die Kapazität eines V-Mischers, im Sinne des Durchsatzes in kg/h, ist eine Funktion der Batch-Größe des Mischers (wie oben erklärt, beträgt der Füllgrad maximal 40–70 % des Wasservolumens des Mischers), der Mischzeit und der Zeit zum Beladen und Entleeren des Mischers. Eine Gesamtzykluszeit kann berechnet werden als t = L + M + D, dann kann der Durchsatz berechnet werden als m = V * r * ρ * 60 / t.

Mit:
t = Gesamtzykluszeit in min; L = Ladezeit in min; M = Mischzeit in min; D = Entleerungszeit in min; m = Durchsatz in kg/h; V = Wasservolumen in m³; r = Füllverhältnis (0,4 bis 0,7); ρ = Schüttdichte der Mischung in kg/m³

Beladung und Entladung

Da sich das gesamte Gehäuse dreht, muss der Mischer während des Mischens vom Rest der Anlage getrennt werden. Dies erfordert manuelle Bedienung zum Beladen und Entladen des Mischers. Beladung und Entladung können direkt vom Bediener durchgeführt werden, obwohl dies Staubemissionen verursachen kann. Um dies zu vermeiden, kann der Mischer an einer Kippstation und einem Entladetrichter mit Hilfe von Flexschläuchen positioniert werden, wobei weiterhin ein gewisser manueller Eingriff des Bedieners erforderlich ist.

Entladeventile

Das Entladeventil von V-Mischern ist in der Regel ein manuell betätigtes Klappenventil.

Instrumentierung

Da sich der Mischer dreht, ist er nicht mit vielen Instrumenten ausgestattet, die ohnehin nicht notwendig erscheinen. Die Steuerung beschränkt sich in der Regel auf Mischzeit und Rotationsgeschwindigkeit. Einige Hersteller bieten jedoch NIR-Sensoren an, um den Mischvorgang zu überwachen und die Mischzeit zu optimieren. Diese Sensoren befinden sich tatsächlich in der Achse des Mischers.

ATEX

Wenn der Mischer Pulver verarbeitet, die Explosionen auslösen können, muss eine ATEX-Risikoanalyse durchgeführt werden. Dabei müssen die Risiken im Inneren des Mischers, wo sich eine gefährliche Staubwolke bilden kann, sowie in der Umgebung während des Beladens, Entladens oder bei Pulververschüttung während der Rotation berücksichtigt werden.

Sicherheit

Die Rotation des Mischers kann ein Sicherheitsrisiko darstellen, wenn sich ein Bediener zu nahe nähert. Es ist notwendig, einen Sicherheitskäfig um den Mischer zu installieren, der hoch genug ist, um zu verhindern, dass Personen in den Mischbereich gelangen. Die Tür muss während der Rotation des Mischers verriegelt sein, und der Mischer darf nicht gestartet werden, wenn die Tür geöffnet ist.

Wenn Flexschläuche zum Beladen oder Entladen des Mischers verwendet werden, kann es auch notwendig sein, Näherungsschalter zu installieren, die die Verbindung erkennen, um zu verhindern, dass die Rotation mit noch angeschlossenen Schläuchen gestartet wird.

6. Spezialausführungen des V-Mischers

Asymmetrisches Design

Es ist möglich, zwei zylindrische Gehäuse unterschiedlicher Länge zu verwenden, wodurch der Mischer asymmetrisch wird. Ein solches Design kann tatsächlich das Mischen von einem Gehäuse zum anderen fördern und so die Segregation verringern sowie die Mischzeit verkürzen. Dies kann auch durch im Mischer positionierte Leitbleche erreicht werden (man sollte jedoch die Nachteile einer solchen Ausführung beachten, da sie die Zugänglichkeit und Reinigungsfähigkeit des Mischers beeinträchtigen kann). Es ist zu beachten, dass Leitbleche das Mischen durch Reduzierung der Symmetrie verbessern, aber keine zusätzliche Scherrate bieten.

Intensivierstab

Einige Hersteller schlagen vor, entlang der Achse des Mischers einen Rührer zu installieren, der mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Dieser Intensivierstab bringt Schermischung und kann somit die Mischleistung bei kohäsiven Pulvern oder Mischungen verbessern, die zur Agglomeration neigen. Es muss jedoch beachtet werden, dass ein solcher Intensivierstab höchstwahrscheinlich zu Produktbruch führen kann; dies muss vom Bediener des Mischers berücksichtigt werden.

7. Häufige Probleme bei V-Mischern

V-Mischer sind in der Regel zuverlässige Anlagen, jedoch können bestimmte Probleme Korrekturen erfordern:

Tabelle 1: Häufige Probleme bei Bandmischern

Problem	Ursache und Maßnahme
Zu lange Mischzeit	Mischer überfüllt – Chargengröße reduzieren Mischgeschwindigkeit zu niedrig – Mischgeschwindigkeit erhöhen Füllreihenfolge falsch – sicherstellen, dass kleine Bestandteile zwischen den Hauptkomponenten schichtweise eingebracht werden (siehe obige Grafik)
Produktschäden, -bruch	Mischzeit optimieren Intensivierstab nicht verwenden oder dessen Geschwindigkeit reduzieren

8. Kaufberatung für V-Mischer – Auswahl eines V-Mischers

8.1 V-Mischer kaufen: Neuanlage eines V-Mischers

Beim Beschaffen eines neuen V-Mischers für Ihre Anlage müssen folgende Fragen beantwortet werden, um die richtige Spezifikation zu wählen:

• Wie hoch ist der geplante Durchsatz der Linie? Wie hoch ist die Schüttdichte des zu mischenden Produkts? Wie lange soll die Mischzeit und der Zyklus betragen? Daraus ergibt sich die benötigte Größe des V-Mischers. Beachten Sie, dass der V-Mischer nicht zu mehr als 40–60 % seines Gesamtvolumens befüllt werden sollte, maximal 70 %.
  
• Ist das Gemisch frei fließend? Oder ist ein Intensivierstab erforderlich, um kohäsivere Mischungen zu verarbeiten? Wurden Versuche durchgeführt, die zeigen, ob eine asymmetrische Geometrie die Mischzeit verkürzen könnte?
  
• Ist es möglich, den Mischer schichtweise zu beladen und eine vertikal symmetrische Befüllung zu vermeiden?
  
• Wie schnell soll der Mischer entleert werden? Auf welche Weise? Dies gibt die notwendigen Eingabedaten für das Entleerventil vor.
• Liegt der Bereich in einer ATEX- Zone? Falls ja, muss der Mischer zertifiziert sein.

8.2 Gebrauchte V-Mischer

Auf dem Markt sind viele gebrauchte V-Mischer erhältlich. Bei der Suche nach einem gebrauchten Mischer sollten folgende Prüfungen durchgeführt werden: Wurde der V-Mischer für eine ähnliche Anwendung wie Ihre Anforderungen eingesetzt?

• Nach Schäden suchen: Kratzer im Inneren der Schale, Hammerspuren am Gehäuse
• Mischer testen, Lager abhören, ggf. Vibrationen messen
• Kann der Mischer bei Bedarf gereinigt werden?
• Können die Öffnungstüren und das Auslassventil für Ihre Anschlüsse modifiziert werden?
• Steuerungen prüfen (falls vorhanden): Mischzeituhr und Drehzahlregler
• Ist der Mischer ATEX-konform für den definierten Bereich? Falls nicht, kann er nachgerüstet werden?
• Quellen

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Erfahrung des Autors

"Scale Up factor determination of V Blender: An overview", V.S.C. Chopra et al, *Der Pharmacia Lettre*, 2010, 2(2): 408–433
"Scale Up of Powder-Blending Operations", Muzzio und Alexander, *Pharmaceutical Technology*, 2005
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