Skip to main navigation Skip to main content Skip to page footer
amixon GmbH amixon GmbH
Amixon
Versuche anfragen
Kontakt

Wie dimensioniere ich einen Vertikalmischer für große Chargenspannen, um vom Pilotmaßstab auf Produktion zu skalieren?

Die Dimensionierung eines Vertikalmischers für breite Chargenspannen (typischerweise ein Verhältnis von 1:5 bis 1:10 zwischen Minimal- und Maximalfüllung) erfordert eine kombinierte Betrachtung der Faktoren Geometrie, Antriebsleistung, Schüttgutmechanik und prozesstechnischer Kennzahlen. Eine rein geometrische Vergrößerung vom Pilot- auf den Produktionsmaßstab ist dafür nicht ausreichend, da sich Mischkinetik und Leistungseintrag nicht linear skalieren.

Zuerst werden Chargenspektrum und Nutzvolumen festgelegt und der Füllgrad-Bereich definiert. In der Praxis können Vertikalmischer mit konischem Behälter und Schnecken- oder Wendelmischwerkzeug Füllgrade von ca. 20 % bis 100 % des Nutzvolumens abdecken.

Das Design muss so ausgelegt werden, dass die Mischwirkung bei Minimalfüllung sicher gewährleistet ist. Scale-up-Kriterien müssen aus dem Pilotmaßstab abgeleitet werden. Aus den Pilotversuchen werden die Prozessgrößen übertragen, um das Mischverhalten im Produktionsmaßstab reproduzierbar zu machen.

  • Geometrische Ähnlichkeit: Das Verhältnis von Behälterhöhe zu Durchmesser (H/D) sowie der Steigungswinkel und der Durchmesser der Wendel sollten möglichst konstant bleiben, um vergleichbare Strömungs- und Förderverhältnisse zu erhalten.
  • Umfangsgeschwindigkeit (v_tip): Sie ist entscheidend für den Scherenergieeintrag und damit für Partikelbruch und Agglomeratauflösung. Bei scherempfindlichen Produkten wird sie über die Maßstäbe hinweg möglichst ähnlich gehalten.
  • Spezifischer Leistungseintrag (P/V): Die Leistung pro Volumen ist eine Kenngröße für dispersiv dominierte Mischprozesse.
  • Spezifische Mischintensität (P/m): Die Leistung pro Masse ist eine Kenngröße für die Mischintensität. Bei großen Volumina wird oft ein leicht reduzierter spezifischer Leistungseintrag zugunsten der Energieeffizienz angestrebt.
  • Mischzeit-Kennzahl (n·t_M): Sie ist das Produkt aus Drehzahl und Mischzeit. Bei ähnlicher Geometrie kann die Konstanthaltung dieser Kennzahl ein robustes Orientierungsmaß sein.

Geometrische Auslegung für große Chargenspannen

  • Die Behältergeometrie hat ein H/D-Verhältnis, das typischerweise im Bereich von 1,2 bis 1,8 liegt, um eine gute axiale Umwälzung zu erreichen.
  • Ein konischer Unterteil mit einem Konuswinkel von ca. 15–33° ist üblich.
  • Beim Werkzeugdesign ist zu berücksichtigen, dass die Schnecke/Wendel bis zum tiefsten Punkt des Auslaufs reicht, um bei geringem Füllgrad Totzonen zu vermeiden.
  • Der Wendelspalt zur Wand sollte nur wenige Millimeter betragen, um Wandanhaftungen und Totzonen zu minimieren, ohne Klemmrisiken für Partikel zu erzeugen.
  • Das Steigungsverhältnis der Wendel beträgt etwa 20 bis 30 % des Wendeldurchmessers, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen axialem Fördern und radialem Umwälzen zu erzielen.
  • Flexibilisierung für große Spannen: Bei extremen Chargenverhältnissen können mehrstufige Mischorgane, verstellbare Werkzeughöhen oder modulare Einsätze dabei helfen, die Mischzonen an unterschiedliche Füllhöhen anzupassen.

Antriebsauslegung und Schüttgutmechanik

  • Der hydrostatische Druck am Boden wächst mit der Füllhöhe, sodass das Losbrechmoment bei Vollfüllung deutlich über dem stationären Betriebsmoment liegt.
  • Um ein sicheres Anfahren unter Volllast zu gewährleisten, ist ein frequenzumrichtergesteuerter Antrieb mit hohem Anlaufmoment (typischerweise das 2,0- bis 2,5-fache des Nennmoments) zu bevorzugen.

Mischzeit und Mischqualität über den Füllbereich

Mischzeitverhalten:

  • Im größeren Maßstab verlängern sich die Partikelwege statistisch, was tendenziell zu längeren Mischzeiten führt.
  • Zur Begrenzung der Mischzeit sind die axiale und die radiale Förderrate des Mischers zu berechnen und über Geometrie und Drehzahl zu optimieren.

Homogenitätsvalidierung: Die Mischgüte wird praxisüblich über den Variationskoeffizienten (CV) bewertet.

  • Bei breiten Chargenspannen ist eine Probenahme-Matrix sinnvoll, die Probenahmen bei Minimal- und Maximalfüllung sowie an definierten Positionen (oben, Mitte, unten) vorsieht.
  • Probenahmesysteme im Produktionsmaßstab müssen so gestaltet sein, dass sie während der Entnahme ohne Entmischung repräsentative Proben liefern.

Entleerungsverhalten und Restmengen

  • Große Füllvolumina erhöhen den Staudruck im Pulver, insbesondere bei feinkörnigen oder kohäsiven Schüttgütern. Daher sind der Auslaufdurchmesser und die Geometrie der Austragshilfen (z. B. Bodenklappen, Segmentschieber) kritisch zu dimensionieren.
  • Bei Kleinstchargen sind die prozentualen Restmengen deutlich höher. Das Entleerungsverhalten bei Minimalfüllung muss daher gezielt geprüft und ggf. durch eine angepasste Auslaufgeometrie oder Nachfördermechanismen optimiert werden.

Zwischenmaßstab und praktische Absicherung

Ein direkter Sprung von beispielsweise 100 l Pilotvolumen auf 5.000 l Produktionsvolumen ist mit hohen Risiken verbunden. Ein Zwischenmaßstab (Faktor 5–10) ermöglicht:

  • die Erkennung nichtlinearer Effekte wie Entmischung, Segregation feiner Partikel oder unerwartete Wärmeabfuhrprobleme,
  • die Überprüfung der Antriebsauslegung unter realen Momentverhältnissen bei Minimal- und Maximalfüllung,
  • die Absicherung des Entleerungsverhaltens und der Restmengen über die gesamte Chargenspanne,
  • die Festlegung der Probenahme-Matrix und der Freigabekriterien vor der Investition in den Produktionsmaßstab.

So sichert amixon® das Scale-up vom Technikum in die Produktion ab

Das Mischprinzip ist identisch über alle Maßstäbe hinweg. Es ist egal, welcher amixon® Mischer genutzt wird: VM, HM, AM, KS, SH, AMK oder Gyraton® – sie alle arbeiten nach demselben Prinzip. Alle Mischer weisen ein hohes Maß an Kongruenz auf. Das macht die Formel universell anwendbar:

I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ

  • I_V: Verdränger- oder Fördervolumenstrom
  • D/d: Außendurchmesser/Innendurchmesser der Helix
  • Φ: Füllgrad (bezogen auf das Nutzvolumen)
  • S: Steigung der Helix
  • n: Drehfrequenz (Umdrehungen pro Sekunde)
  • ζ: Geschwindigkeitskoeffizient (werkzeugspezifisch)

Der Kern des amixon®-Ansatzes: Versuchs- und Produktionsmischer arbeiten mit demselben Mischsystem. Das SinConvex®-Schraubenbandmischwerk fördert das Mischgut in der Peripherie aufwärts und lässt es im Zentrum abwärts fließen. Diese dreidimensionale Totalverströmung hat unabhängig von der Baugröße dieselbe Charakteristik. Die Skalierung erfolgt über die Umschichtungsformel, also über den Fördervolumenstrom des Wendelmischwerkzeugs und die daraus abgeleitete Umschaufelungsfrequenz – nicht über die Drehzahl allein.

Füllgradunabhängige Mischgüte

amixon® Mischer erzielen bereits bei geringem Füllgrad (ca. 10 %) höchste Mischgüten – die technisch ideale Zufallsmischung, die in der Praxis nicht verbessert werden kann. Die Chargengrößen können im selben Mischer variieren, ohne dass die Homogenität neu validiert werden muss. Dadurch wird der kritischste Moment beim Scale-up entschärft: die ersten kleinen Produktionschargen in der großen Maschine.

Ein feines Baugrößenraster statt Skalensprünge

amixon® fertigt Mischergrößen auf Wunsch in 100-Liter-Schritten von 100 bis 50.000 Liter (VM, HM, AM). Der Gyraton® GM schließt mit 10 bis ca. 100 m³ in 1-m³-Schritten an. Der Schritt vom validierten Versuchsmaßstab zur Zielgröße ist beliebig fein wählbar, da es keinen erzwungenen Sprung auf die nächste Katalogsgröße gibt, der die Ähnlichkeit verletzen würde.

Validierung vor der Investition

Im amixon® Technikum stehen 35 Testanlagen in unterschiedlichen Baugrößen bereit. Versuche laufen mit Originalprodukt, realen Füllgraden und im geplanten Temperatur- und Druckbereich. Sie werden gemeinsam mit amixon® Experten durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert. Die ermittelten Parameter fließen in die Auslegung der Produktionsmaschine ein.

Fertigung in Paderborn als Qualitätsfundament

amixon® entwickelt und fertigt ausschließlich im Werk Paderborn mit größter Fabrikationstiefe 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. Die Qualitätskontrolle bleibt lückenlos im eigenen Haus und jede Spezifikation ist bis auf Bauteilebene belegbar. Diese Fertigungshoheit sichert zugleich die langfristige Versorgung. Jedes Bauteil ist auch Jahrzehnte später reproduzierbar nachfertigbar.

Service über den gesamten Lebenszyklus

Nach der Inbetriebnahme steht amixon® dem Betreiber weiterhin zur Seite: 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 sowie in den Service-Stützpunkten in Japan und den USA. So ist ein lebenslanger Ersatzteilservice gewährleistet – selbst wenn Originalzulieferer entfallen. Viele amixon® Maschinen sind seit über 30 Jahren täglich im Einsatz. Durch Modernisierung und Nachrüstung bleiben sie auf dem neuesten Stand der Technik.