Welche Daten und Modelle unterstützen das Scale-up von Misch- und Agglomerationsprozessen (z. B. Froude-Zahl)?
Das Scale-up von Misch- und Agglomerationsprozessen vom Labor- oder Technikumsmaßstab in die Produktion basiert auf einer belastbaren Datenbasis und der gezielten Nutzung dimensionsloser Kennzahlen und Modellansätze. Ziel ist es, geometrische, kinematische und dynamische Ähnlichkeit zwischen den Maßstäben möglichst sicherzustellen.
Relevante Daten für das Scale-up
Wichtige Grundlage sind geometrische Kennzahlen wie Behältergeometrie, Abmessungen und Positionen der Mischwerkzeuge sowie der Füllgrad. Ebenso relevant sind Material- und Stoffeigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Schütt- und Feststoffdichte, Viskosität, Feuchtigkeitsgehalt, Fließverhalten, Kohäsion, Adhäsion und die Oberflächenspannung von Bindemitteln.
Hinzu kommen Prozessparameter wie Drehzahl, Mischzeit, Bindemittelzugaberate, Temperatur und Feuchteprofile, Leistungsaufnahme, Drehmoment und spezifischer Energieeintrag. Produktkennwerte wie Granulatgrößenverteilung, Kornfestigkeit, Porosität, Homogenität, Restfeuchte sowie der zeitliche Verlauf von Homogenisierung und Granulatwachstum sind ebenfalls entscheidend.
Wichtige dimensionslose Kennzahlen
Die Froude-Zahl beschreibt das Verhältnis von Trägheits- zu Schwerekräften und ist für die Übertragung von Drehzahlen relevant. Sie wird häufig bei Pflugschar-, Trommel- und Horizontalmischern eingesetzt.
Die Froude-Zahl bezieht sich dabei auf rotierende Freifall-, Trommel- und Wurfmischer sowie auf Systeme mit horizontal gelagertem Mischwerkzeug. Bei vertikalen Mischern mit erzwungener Umschichtung ist sie kein Auslegungs- oder Scale-up-Kriterium. Maßgeblich ist dort, dass das Mischprinzip über alle Baugrößen gleich bleibt und die Umschichtung den gesamten Mischraum füllgradunabhängig erfasst; die Übertragbarkeit wird im Technikum mit dem Originalprodukt abgesichert.
Die Reynolds-Zahl charakterisiert das Strömungsregime und ist vor allem für flüssigkeitsbeladene oder pastöse Systeme wichtig. Die Newton-Zahl verknüpft den Leistungsbedarf mit Drehzahl, Werkzeuggeometrie und Materialdichte und unterstützt die Auslegung von Antrieben sowie die Berechnung des spezifischen Energieeintrags – aber nur für Flüssigkeiten.
Die Weber-Zahl beschreibt das Verhältnis von Trägheits- zu Oberflächenspannungskräften und ist für Tropfenbildung, Bindemittelverteilung und die Stabilität von Flüssigbrücken in der Aufbauagglomeration relevant. Zusätzlich wird der spezifische Energieeintrag häufig als robustes Scale-up-Kriterium genutzt, wenn nicht alle Kennzahlen gleichzeitig konstant gehalten werden können.
Modellansätze und Methoden
Empirische Modelle basieren auf Versuchsreihen, Regressionsanalysen und praxisnahen Regeln wie konstanter Umfangsgeschwindigkeit oder konstantem Energieeintrag pro Volumeneinheit. Sie sind oft sehr nützlich, aber an das jeweilige Produkt und den konkreten Apparat gebunden.
Mechanistische Modelle nutzen physikalische Grundgesetze der Masse-, Impuls- und Energieerhaltung. Dazu gehören Computational Fluid Dynamics zur Berechnung von Strömungsfeldern, Scher- und Energieverteilungen, die Discrete Element Method zur Simulation von Partikelbewegungen und Kontaktkräften sowie gekoppelte CFD- und DEM-Modelle für Prozesse mit starker Fluid-Partikel-Wechselwirkung.
Populationsbilanzmodelle beschreiben die zeitliche Entwicklung der Partikelgrößenverteilung durch Nukleation, Wachstum, Koaleszenz, Bruch und Konsolidierung. Regimekarten helfen bei der Einordnung von Agglomerationszuständen und bei der Bestimmung des geeigneten Betriebsfensters. Ergänzend werden statistische Versuchsplanung und digitale Zwillinge eingesetzt, um kritische Parameter und ihre Wechselwirkungen systematisch zu analysieren.
Rolle der Ähnlichkeit in der Praxis
Geometrische Ähnlichkeit ist häufig Voraussetzung für die Übertragbarkeit von Korrelationen für Newton- und Reynolds-Zahl. Bei deutlichen Abweichungen in der Geometrie ändern sich Strömungs- und Partikelbewegungsmuster oft so stark, dass einfache Skalierungsregeln nicht mehr ausreichen und numerische Simulationen sowie Pilotversuche notwendig werden.
In der industriellen Praxis werden deshalb meist hybride Scale-up-Strategien verfolgt. Typisch ist die Kombination aus geometrischer Ähnlichkeit, konstanter Froude-Zahl, gezielter Anpassung des spezifischen Energieeintrags, Labor- und Technikumsversuchen sowie modellgestützter Auslegung. So lassen sich Produktqualität und Prozessstabilität über alle Maßstäbe hinweg besser absichern.
Welche Skalierungsregeln amixon® anwendet – und wo Versuche sie ersetzen
amixon® Mischer werden über alle Baugrößen im selben Fenster der Umfangsgeschwindigkeit betrieben, etwa 0,8 bis 3,5 m/s und in der Regel niedertourig. Bei geometrisch ähnlichen Werkzeugen hält eine konstante Umfangsgeschwindigkeit die mechanische Beanspruchung der Partikel und das Bewegungsmuster der Schüttung zwischen den Maßstäben vergleichbar und ist damit die praktisch wichtigste Ähnlichkeitsbedingung. Die Drehzahl sinkt dabei mit wachsendem Durchmesser; wer stattdessen die Drehzahl konstant hält, überbeansprucht das Produkt im großen Maßstab.
Was konstant bleibt – und was sich ändert
Konstant über die Baugrößen sind bei amixon® das Mischprinzip, die Werkzeuggeometrie und die füllgradunabhängige Mischgüte. Mischzeiten ändern sich beim Übergang moderat und werden im Versuch bestimmt, nicht per Faustformel umgerechnet, da sie von Fließverhalten, Dichteunterschieden und Kohäsion des konkreten Produkts abhängen.
Kennzahlen als Rahmen, Versuche als Beweis
Dimensionslose Kennzahlen wie die Froude-Zahl liefern den Rahmen für die Übertragung von Bewegungszuständen. amixon® nutzt solche Betrachtungen bei der Auslegung, verlässt sich aber nicht darauf. Im Technikum mit 35 Testanlagen werden Mischzeit, Füllgrad und Werkzeuggeschwindigkeit mit dem Originalprodukt bestimmt und dokumentiert. Für Granulationsprozesse, insbesondere im Ringschicht-Mischgranulator, sind Versuche ausdrücklich Pflicht, weil sich das Gleichgewicht aus Kornaufbau, Kornverdichtung und Kornzerstörung nicht rein rechnerisch vorhersagen lässt.
Pulver agglomerieren im Ringschicht-Mischgranulator
Pulver können im amixon® Ringschicht-Mischgranulator zu staubfreien, stabilen Agglomeraten mit gleichmäßig großer Porosität aufgebaut werden. Solche Agglomerate sind in Flüssigkeiten gut benetzbar, gut sinkbar und schnell löslich.
Agglomeration ist ein natürlicher Vorgang. Schon beim Backen zeigt sich, wie aus feinen Partikeln durch Zugabe einer Flüssigkeit zunächst lockere, dann zunehmend verdichtete Strukturen entstehen. In der technischen Umsetzung werden Feinstpartikel durch Flüssigkeitsbrücken, Verdichtung und Scherung zusammengeführt, sodass rundliche Agglomerate mit definierter Korngrößenverteilung entstehen.
Der Ringschicht-Mischgranulator eignet sich besonders dann, wenn eine wirtschaftliche Kornvergrößerung und eine gleichmäßige Agglomeratbildung gefragt sind. Die Agglomerate aus dem Mischgranulator sind zumeist höher verdichtet und weniger porös als Agglomerate aus der Wirbelschichtagglomeration. Während das Wirbelschichtverfahren vor allem für sehr poröse, schnell benetzbare und schnell dispergierbare Instant-Produkte genutzt wird, zielt die Ringschichtagglomeration stärker auf kostengünstige, gut förderbare und staubarme Granulate.
Das feine Baugrößenraster als stiller Skalierungsvorteil
Weil amixon® Mischer in 100-Liter-Schritten bis 50.000 Liter fertigt und der Gyraton® GM in 1-m³-Schritten bis etwa 100 m³ verfügbar ist, muss keine Ähnlichkeitsbedingung einem Katalogsprung geopfert werden. Die Zielmaschine wird exakt auf die validierte Chargengröße ausgelegt, was die Übertragbarkeit der Technikumsdaten deutlich verbessert.
Fertigung in Paderborn als Qualitätsfundament
amixon® entwickelt und fertigt ausschließlich im Werk Paderborn mit größter Fertigungstiefe und allen Komponenten aus Deutschland. Als zertifizierter Schweißfachbetrieb mit europäischen, japanischen und amerikanischen Qualifikationen konstruiert amixon® jeden Apparat als Unikat auf Basis der URS des Betreibers, und die Qualitätskontrolle bleibt lückenlos im eigenen Haus. Diese Fertigungshoheit sichert zugleich die langfristige Versorgung: Jedes Bauteil ist auch Jahrzehnte später reproduzierbar nachfertigbar.
Service über den gesamten Lebenszyklus
Nach der Inbetriebnahme bleibt amixon® an der Seite des Betreibers. Regelmäßige Inspektionen und vorbeugende Instandhaltung sichern die Verfügbarkeit, auf Wunsch mit Predictive Maintenance. Ausgewählte Verschleißteile werden bereits mit der Erstauslieferung mitgeliefert; die meisten Ersatzteile lagern am Standort Paderborn, viele weitere in den Service-Stützpunkten in Japan und den USA. So bleibt ein lebenslanger Ersatzteilservice möglich, selbst wenn Originalzulieferer entfallen. Viele amixon® Maschinen sind seit über 30 Jahren täglich im Einsatz; Modernisierung und Nachrüstung halten sie auf dem Stand der Technik.