1. Warum entmischen sich Pulver?

Was ist Pulver- oder Schüttgut-Segregation?

Die Schwierigkeit des Mischens ist hauptsächlich auf Unterschiede in den Partikelgrößen zurückzuführen. Wenn die Spannweite der Partikelgrößen in einer Mischung groß ist, dauert es länger, bis die optimale CV-Homogenität erreicht wird, und der CV-Wert wird höher sein als bei einer Mischung mit Partikeln ähnlicher Größe.

Umgekehrt wird eine Mischung aus Partikeln unterschiedlicher Abmessungen immer dazu neigen, sich zu trennen, wobei sich die Partikel einer Größe in einem Bereich und die Partikel einer anderen Größe in einem anderen Bereich gruppieren. Dieses Phänomen wird als Segregation oder Entmischung bezeichnet. Es ist zu beachten, dass alle industriellen Mischungen aus Partikeln unterschiedlicher Abmessungen bestehen, was bedeutet, dass alle Mischungen in den Verarbeitungsschritten nach dem Mischer einer Demischung unterliegen und dass die Segregation die erreichbare Homogenität in einem bestimmten Mischer natürlich begrenzt.

Segregation ist eine Funktion von Größe, Dichte, Form und Elastizität der Partikel. Der primäre Faktor ist jedoch, wie bereits erwähnt, die Größe der Partikel, und insbesondere der Größenunterschied zwischen den Partikeln der Mischung [2]. Das Verhältnis, ab dem der Größenunterschied der Partikel zu Segregationsproblemen führt, variiert je nach Quelle. In der Literatur [3] [4] wird als Faustregel angegeben, dass Segregation bei einem Partikelgrößenverhältnis von > 1,3, > 3 oder > 5 problematisch wird.

Die Form der Partikel ist interessant: Wenn Partikel komplexe Formen aufweisen, die zu einer Verzahnung untereinander und damit zu einer schlechten Fließfähigkeit führen, sind sie schwer zu mischen. Sobald sie jedoch gemischt sind, reduziert der Verzahnungseffekt die Segregation im Vergleich zu frei fließenden Materialien.

2. Welche Mechanismen führen zur Segregation?

Wie entsteht die Entmischung von Pulvern?

Es gibt hauptsächlich 5 Mechanismen, die zur Segregation führen [1] [2]

Segregationseffekt	Erklärung
Perkolationssegregation	Wenn die Mischung bewegt wird, öffnen sich die Zwischenräume zwischen großen Partikeln, und kleine Partikel können darunter gelangen. Durch Wiederholung der Bewegung sammeln sich die kleinen Partikel am Boden der Mischung an, während sich die groben Partikel oben befinden. Typische Grundoperationen, die einen solchen Entmischungsmechanismus erzeugen: Befüllung und Entleerung eines Silos, freier Fall von Pulver in einen Haufen in einem Silo oder Behälter
Flotationssegregation	Große Partikel steigen in der Wirbelschicht nach oben. Dies ist auf die Vibration der Mischung zurückzuführen, die es den kleinen Partikeln ermöglicht, in die Zwischenräume unter den großen Partikeln zu fließen. Typische Grundoperationen, die solche Probleme verursachen: Schwingsiebe (wenn sie nicht ordnungsgemäß betrieben werden, z. B. mit zu viel Produkt auf dem Siebdeck, wird das Phänomen verstärkt), Silos mit vibrierenden Böden, Rütteltische für Big Bags
Transportsegregation	Während des Transports in einem Gasstrom sind Partikel unterschiedlicher Größe unterschiedlichen Kräften ausgesetzt und nehmen daher unterschiedliche Bahnen ein, was zur Segregation führt. Es ist das Gas in einer pneumatischen Förderleitung , in der z. B. die Widerstandskräfte nicht gleichmäßig auf große und kleine Partikel wirken, was zu unterschiedlichen Transportgeschwindigkeiten führt. Am Ende einer Förderleitung, z. B. in einem Silo, hängt die Trägheit der Partikel von ihrer Größe ab, und sie nehmen unterschiedliche Flugbahnen ein, was zu einer gewissen Segregation führt.
Elutriation	Dieses Phänomen ähnelt dem vorherigen, ist jedoch bei frei fallendem Material zu berücksichtigen: Die Feinanteile (typischerweise < 50 Mikron) bleiben länger in der Luft suspendiert als grobe Partikel und lagern sich schließlich oben auf dem Pulver ab oder haften an der Rohr- oder Trichterwand.
Agglomerationssegregation	Es kann vorkommen, dass sich bestimmte Komponenten zu Klumpen verbinden. Diese Klumpen führen zu Inhomogenitäten in der Mischung, da sie lokal viel Material einer Sorte konzentrieren. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn sich Materialablagerungen an den Wänden eines Silos lösen und in eine Mischung fallen. Ein typisches Beispiel ist ein Lebensmittelhersteller, der Beutel verkauft, die Klumpen enthalten, wodurch der Kunde die Inhomogenität sofort erkennt.

Alle oben genannten Phänomene können zu einer ungleichmäßigen Pulververteilung führen.

3. Segregation in Mischern

Unter den verschiedenen Mischertypen führen Diffusionsmischer und Schermischer bei frei fließenden Partikeln unterschiedlicher Größe zur Segregation.

Diffusionsmischer sind besonders anfällig für dieses Phänomen, da sie auch bei kohäsiven Pulvern zur Segregation neigen und sogar die Agglomeration der Pulver fördern können. Bestimmte Konstruktionen, wie z. B. asymmetrische Arme bei einem V-Mischer (ein Arm länger als der andere) oder ein Doppelmantelkegel mit versetztem Kegel, können jedoch dazu beitragen, die Segregation zu minimieren, indem sie symmetrische Partikelströmungen im Mischer vermeiden, die die Segregation fördern.

Pneumatische Wirbelschichten sind ihrerseits empfindlich gegenüber Dichteunterschieden zwischen den Partikeln.

4. Bewährte Praktiken

Wie lässt sich die Entmischung von Pulvern vermeiden?

Wie oben erklärt, wird es zu Segregationserscheinungen kommen. Die Frage ist hier also eher, wie sich die Effekte minimieren lassen, als sie vollständig zu vermeiden.

Um die Entmischung zu minimieren – sofern die Möglichkeit besteht, einen neuen Prozess zu gestalten – sollte die Anzahl der Prozessschritte vom Mischer bis zum Einsatzort (Abfüllstation oder Dosierung bzw. weitere Verarbeitung)reduziert werden. Positionieren Sie den Mischer so, dass die Anzahl der Verfahrensschritteverringert wird, insbesondere durch Vermeidung von freiem Fall (und erst recht geneigten Flächen, auf denen das Pulver rollen kann), mechanischem Transport, pneumatischer Förderung usw., damit die Pulverhomogenität erhalten bleibt. Bei Mischern mit Rührwerk kann es zudem vorteilhaft sein, den Mischer während der Entleerung mit niedriger Drehzahl (wichtig zur Vermeidung von Staubexplosionsrisiken) laufen zu lassen, um zu verhindern, dass sich nach dem Mischen eine Feinstoffschicht auf der Wirbelschicht ablagert, während der Mischer noch in Betrieb ist.

Einige Literaturquellen [1] schlagen vor, das Pulver anzufuchten, um Partikel aneinander zu binden und einen gewissen Agglomerationsgrad zu erreichen – dies ist jedoch nicht in allen Situationen anwendbar. Bei stark unterschiedlichen Partikelgrößen sollte geprüft werden, ob eine Größenreduzierung (Mahlschritt einzelner Komponenten vor dem Mischen) möglich ist.

Grundsätzlich sollten Trichterfluss-Silos vermieden werden. Ein Tipp ist, Silos als Massenfluss -Systeme auszulegen, da diese bis zu einem gewissen Grad eine Remischung der Komponenten am Siloauslass ermöglichen (wenn das Produkt jedoch einfach aus dem Silo in einen Haufen geschüttet wird, kommt es erneut zur Entmischung).

Schließlich ist die Wahl des Mischers von großer Bedeutung, da einige Mischertypen die Tendenz zur Trennung der Partikel besser überwinden und eine gute Mischgüte erreichen können. Dies gilt insbesondere für Doppelwellen-Paddelmischer.

Quellen

[1] Perry’s Chemical Engineers’ Handbook
[2] Principles of Powder Technology, Martin Rhodes et al., Wiley
[3] Antworten auf häufige Mischfragen, Kaye, PBE
[4] Antworten auf 10 häufige Fragen zur Batch-Mischung, Michel, PBE