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Einführung in das Pulvermischen

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Grundlagen des Mischens
2. Chargenmischen vs. Kontinuierliches Mischen
3. Gängige Mischertypen Bandmischer Paddelmischer Trommelmischer Pflugscharmischer

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Ein Mischprozess steht im Mittelpunkt vieler Schüttgutprozesse. Das Mischen von Pulvern oder Feststoffen ermöglicht die Herstellung einer homogenen Mischung verschiedener Komponenten und stellt einen der wertschöpfendsten Prozessschritte dar. Allerdings ist das homogene Mischen von Haupt- mit Nebenbestandteilen und das Erreichen einer guten Homogenität (in der Praxis gemessen durch einen Variationskoeffizienten bezogen auf eine der als Tracer verwendeten Komponenten) nicht einfach. Die folgende Seite führt Sie durch die wichtigsten industriellen Mischgeräte, deren Vor- und Nachteile, und stellt zudem die Konzepte des kontinuierlichen Mischens und des Chargenmischens vor.

Die vorliegende Seite konzentriert sich auf das Trockenmischen von Feststoffen. Weitere Informationen zu anderen Mischarten finden Sie unter folgenden Links: Feststoff-/Flüssigkeitsmischen (Suspensionen) oder Flüssigkeits-/Flüssigkeitsmischen

1. Grundlagen des Mischens

Froude-Zahl

Das Pulvermischen basiert auf der Bewegung der Partikel der zu mischenden Rezeptur. Die Bewegung kann unterschiedlich sein, und verschiedene Mischer entsprechen unterschiedlichen Mischprinzipien.

Mischer werden oft anhand der Froude- Zahlklassifiziert. Diese dimensionslose Kennzahl definiert das Mischregime in Abhängigkeit von ihrem Wert.

Froude-Zahl ist definiert in Gleichung 1 [Perry]:

Gleichung 1: Froude-Zahl

Mit
R = Mischerradius oder Radius des Mischwerkzeugs
ω = Winkelgeschwindigkeit

Für Pulvermischer mit einem Mischwerkzeug kann sie in der praktischeren Form der Gleichung 2 ausgedrückt werden:

Gleichung 2: Froude-Zahl Berechnung für Mischer mit Mischwerkzeug (Band, Paddel usw.)

Mit
u = Umfangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs
D = Durchmesser des Mischwerkzeugs

Froude-Zahl vergleicht 2 Kräfte: Fr = (Kräfte außer Gravitation – hauptsächlich Zentrifugalkräfte) / Gravitationskraft

• Wenn Fr < 1, überwiegen die Gravitationskräfte gegenüber den Zentrifugalkräften, das Pulver bleibt im Mischer abgelagert,wird bewegt, aber nicht in einer Wolke aufgewirbelt.

• Wenn Fr > 1, neigen die Zentrifugalkräfte dazu, stärker als die Gravitationskraft zu sein: das Pulver hat die Tendenz, im Mischer in der Luft suspendiert zu werden.

Unter den industriell eingesetzten Mischern für das Pulvermischen schlägt die folgende Tabelle eine Klassifizierung nach der Froude- Zahl

vor: Tabelle 1: Mischer klassifiziert nach ihrer Froude- Zahl und Mischprinzip

Fr	Mischklasse	Mischertyp	Vorteile	Nachteile
< 1	Diffusion	Freifallmischer (Schwerkraftmischer) V-Mischer Doppelkonusmischer Behältermischer (IBC-Mischer) Trommelmischer	Sehr einfache Konstruktion Geringer Energiebedarf Schonende Mischung Keine aktiven Mischelemente im Gerät Hohe Zuverlässigkeit Zugang für Reinigung	Lange Mischzeit Gute Mischung bei Pulvern mit stark unterschiedlichen Partikelgrößen nicht erreichbar Entmischung kann auftreten
< 1	Konvektion	Schubmischertyp Bandmischer Schneckenmischer	Erzielen im Allgemeinen bessere Mischungsergebnisse als Diffusionsmischer Geringer Energieeintrag Allgemein kostengünstiger als Paddel- oder Pflugscharmischer	Lange Mischzeit Mechanische Komplexität Zugang für Reinigung Produktschädigung bei langer Mischzeit möglich
> 1	Konvektion	Paddelmischer Pneumatische Mischer	Kurze Mischzeit Schonende Mischung Geringer Energieeintrag Guter Reinigungszugang (bei einigen Ausführungen mit entnehmbaren Wellen) Paddelmischer sind auch in kontinuierlicher Bauweise erhältlich Bei Paddelmischern kann eine Flüssigkeitseinspritzung vorgesehen werden	Kosten im Vergleich zu Diffusionstrommeln / Bandmischern Bei Flüssigkeitseinspritzung neigt das System zur Agglomeration – dann sind zusätzliche Hochscher-Mischelemente erforderlich Bei pneumatisch erzeugter Wirbelschicht muss auf das Risiko von Entmischung durch "schwebende" Feinanteile an der Oberfläche des Mischers geachtet werden
>> 1	Konvektion Scherung	Pflugschar- Mischer Hochscher-Mischelemente	Kurze Mischzeit Reduziertes Risiko von Pulveragglomeration, insbesondere bei Flüssigkeitseinspritzung Auch in kontinuierlicher Bauweise erhältlich	Erhöhte Partikelzerkleinerung Hoher Energieeintrag Kosten

Eine weitere Klassifizierung kann je nach Prozessart (Charge oder kontinuierlich) vorgeschlagen werden. Obwohl Chargenmischer den Großteil der industriellen Anwendungen abdecken, können bestimmte Mischertypen (z. B. Paddelmischer) auch im kontinuierlichen Betrieb eingesetzt werden, was für bestimmte Prozesse vorteilhaft ist.

Mischzeit

Die folgenden Faktoren beeinflussen die Mischzeit. Grundsätzlich streben Betreiber von Mischern eine möglichst kurze Mischzeit an, um die Produktivität ihrer Anlage zu steigern.

Tabelle 2: Parameter, die die Mischzeit beeinflussen

Betriebsparameter	Einfluss auf die Mischzeit
Mischvolumen	Ein größeres Mischvolumen führt zu längerer Mischzeit Eine Verdopplung des Volumens bedeutet jedoch nicht zwangsläufig eine Verdopplung der Mischzeit Bei Mischern mit Fr > 1 bleibt die Mischzeit ab einem bestimmten Volumen nahezu konstant Hinweis: Ein Mischer darf nicht überfüllt werden, da sonst eine ausreichende Mischung unmöglich wird
Mischgeschwindigkeit	Eine höhere Mischgeschwindigkeit verkürzt in der Regel die Mischzeit Der Einfluss auf das Pulver (z. B. Partikelbruch) muss jedoch berücksichtigt werden
Froude-Zahl	Eine höhere Froude-Zahl führt zu kürzerer Mischzeit Partikelbruch ist besonders bei Fr >> 1 problematisch
Feststoff-	Je stärker sich die Partikelgrößen der Mischungskomponenten unterscheiden, desto schwieriger ist die Mischung

Einfluss der Froude-Zahl und des Mischervolumens sind in der folgenden Grafik dargestellt:

Abbildung 1: Mischzeit = f(Fr, Volumen) [Gericke]

Die Mischzeit hängt auch von der Reihenfolge und dem Ort der Zugabe der Komponenten ab. Besonders kritisch ist die Position der Mikrokomponenten. Werden diese seitlich in den Mischer dosiert, kann sich die Mischzeit deutlich verlängern. Als bewährte Praxis sollten kleine, Neben- und Mikrokomponenten in der Mitte des Mischers – auf jeden Fall im "aktiven" Bereich (z. B. der Fluidisierungszone) – zugegeben werden.

2. Charge vs. kontinuierlich

Die Entscheidung, ob ein Feststoffmischprozess als Charge oder kontinuierlich ausgelegt wird, muss bereits zu Projektbeginn getroffen werden, da die erforderlichen Anlagenkomponenten grundlegend unterschiedlich sind.

Das Funktionsprinzip unterscheidet sich radikal. Bei Chargenprozessen erfolgt eine diskontinuierliche Abfolge: Dosierung der Komponenten, Beschickung des Mischers, Mischvorgang und Entleerung. Dieser Ablauf wiederholt sich bei jeder Charge. Im kontinuierlichen Prozess laufen alle Schritte gleichzeitig ab, wobei die Dosierung der Komponenten und das Mischen in speziell dafür ausgelegten, kontinuierlich arbeitenden Mischern erfolgt.

Die folgende Übersicht fasst die Auswirkungen der Prozessart auf zentrale Auslegungsparameter zusammen:

Tabelle 5: Vergleich von Chargen- und kontinuierlichem Mischprozess

Prozessvariable	Kontinuierlich	Charge
Kapazität	Von 10 kg/h bis sehr groß	Von sehr klein bis groß
Mischergröße (bei ähnlichem Durchsatz)	Kleiner	Größer
Entmischung Risiko	Geringer	Höher durch nachgelagerte Prozessschritte (z. B. plötzlicher Materialabwurf)
Platzbedarf (bei ähnlichem Durchsatz)	Geringer	Größer
Flexibilität	Geringer (kontinuierliche Mischer sind für wenige Rezepturwechsel ausgelegt)	Höher (die Mischanlage kann bei Bedarf starten/stoppen)
Rezepturkomplexität	Geringer (begrenzte Anzahl an Inhaltsstoffen)	Höher (der Prozess kann mehr Inhaltsstoffe verarbeiten)
Automatisierung	Komplex für die Steuerung der "Loss-In-Weight-Dosierer"	Allgemein einfach
Erforderliche Mitarbeiterqualifikation	Hoch aufgrund der Dosiersysteme	Geringer
Benötigter Platzbedarf	Vergleichsweise gering	Vergleichsweise groß

Kontinuierliche Mischprozesse müssen kontinuierlich mit Pulver durch spezielle Dosiersysteme versorgt werden. Diese Dosiersysteme bestehen aus "Loss-In-Weight-Dosierern". Dosierer können folgende Fördereinheiten nutzen: Schneckenförderer, Vibrationsrinnen oder Wiegeförderbänder. Jeder Dosierer ist auf Wägezellen montiert und muss mit einem hochentwickelten Steuerungssystem ausgestattet sein, das es ermöglicht, den Gewichtsverlust über die Zeit zu messen, Störungen zu filtern und die Dosiergeschwindigkeit anzupassen, um einen vorgegebenen Sollwert in kg/h zu halten.

Bei einem kontinuierlichen Mischer beeinflusst die Genauigkeit des Dosierers maßgeblich die Homogenität. Ein kontinuierlicher Mischer muss sowohl radiale als auch axiale Mischung gewährleisten. Grundsätzlich werden bessere Ergebnisse im Pfropfenstrom mit minimaler axialer Dispersion erzielt. Ist der Dosierer jedoch nicht stabil, kommt es am Ausgang des Mischers zu Inhomogenitäten. In der Praxis ist eine gewisse axiale Dispersion erforderlich, um Dosierungenauigkeiten auszugleichen.

Eine geringe Dosiergenauigkeit bedeutet: axiale Dispersion ist erforderlich, damit ist ein größeres Mischvolumen nötig, und somit eine längere Mischzeit.

3. Gängige Mischer

Im Folgenden werden gängige Mischer vorgestellt

"Bandmischer" (Ribbon Blender)

Mischprinzip

(Zeichnung von US Machinery unter Creative-Commons-Lizenz)

Abbildung 2: Bandmischer

Wesentliche Merkmale

Tabelle 3: Prozessmerkmale des Bandmischers

Mischwerkzeug	Bandwendel
Froude- Zahl	< 1
Typische Mischgeschwindigkeiten	~50–70 U/min für kleine Mischer, ~10–20 U/min für große Volumina
Größe	Von einigen 100 l bis über 10.000 l
Typische Mischzeit	Mehr als 5 Minuten
Auswirkung auf das Produkt	Kann stark sein bei langer Mischzeit und hoher Geschwindigkeit
Anzahl der Lager	2 – Mischwerkzeug nicht freitragend
Oberer Deckel	Verschraubt, mit Dichtung
Auslass	1 – in der Regel rund, teilweise hygienisches Design
Reinigungsfähigkeit	Eingeschränkt, schlechter Zugang
Zugang	Meist Türen an der Oberseite

Hinweis: Einige Bandmischer-Konstruktionen verfügen über eine herausnehmbare Welle. Dies verbessert die Reinigungsfähigkeit, erschwert jedoch die Konstruktion. Die Wendel ist dennoch schwer zu reinigen.

"Doppelschaft-Paddelmischer"

Mischprinzip

Wesentliche Merkmale

Tabelle 4: Prozessmerkmale des Paddelmischers

Mischwerkzeug	Paddel
Froude- Zahl	> 1
Typische Mischgeschwindigkeiten	~50 U/min für einen ~1.000-l-Mischer
Größe	Von einigen 100 l bis 5.000 l
Typische Mischzeit	1 bis 2 Minuten
Auswirkung auf das Produkt	Mischen erfolgt schonend, geringe Pulverdegradation zu erwarten
Anzahl der Lager	1 oder 2 – Mischwerkzeug kann freitragend sein
Oberer Deckel	Verschraubt, mit Dichtung oder verschweißt
Auslass	1 oder 2 – runde, hygienische Ausführung möglich, Klappen möglich
Reinigungsfähigkeit	Gut, einige Konstruktionen erlauben das Entnehmen der Wellen
Zugang	Seitliche Türen, bei einigen Konstruktionen Fronttür (bei freitragender Ausführung)

"Trommelmischer"

Mischprinzip

Wesentliche Merkmale

Tabelle 5: Prozessmerkmale des Trommelmischers

Mischwerkzeug	Behälter – V-Form, Doppeltkegel, Trommel – in der Regel ohne aktives Mischwerkzeug
Froude- Zahl	< 1
Typische Mischgeschwindigkeiten	25 U/min
Größe	Von einigen Litern bis 2.000 l (bei Behältermischern)
Typische Mischzeit	5 bis 15 Minuten
Auswirkung auf das Produkt	Mischen erfolgt schonend (sofern kein Rührwerk eingebaut), geringe Pulverdegradation zu erwarten
Anzahl der Lager	Die Trommel wird durch einen rotierenden Arm bewegt
Oberer Deckel	Geklemmt
Reinigungsfähigkeit	Gut geeignet für kleine Behälter, weniger geeignet für größere Behälter. Bei großen Behältern wird die dedizierte Nutzung für ein Produkt empfohlen
Zugänglichkeit	Der Mischer muss durch einen Schutzkäfig gesichert sein

Art des Behältermischers

Behälter können sehr unterschiedliche Größen aufweisen. Kleinere Mischer verarbeiten Trommeln von wenigen Litern bis zu 200 Litern. Diese Trommeln bestehen oft aus Edelstahl und können mit Prallblechen auf dem Deckel ausgestattet sein. Diese Prallbleche fördern die Durchmischung und können zu einer Verkürzung der Mischzeit führen.

Größere Behälter verfügen in der Regel über einen konischen Boden. Diese Behälter können ein Volumen von 500 bis 2000 Litern haben. Einige Ausführungen können zusätzlich mit einem Rührwerk ausgestattet sein. Die Mischwirkung kombiniert dann den Effekt des Rührwerks mit dem klassischen Lawinen-Effekt durch die Behälterrotation.

Quellen

[Perry] : Perry's 8. Auflage, Feststoffmischen, 21-39

[Gericke] : angepasst aus "Unterschiedliche Methoden des Batch- und kontinuierlichen Mischens von Feststoffen", Bulk Solids Handling, H.R. Gericke, 1993