Welche Vorteile bietet ein Konus-Einwellenmischer gegenüber einem klassischen Vertikalmischer, wenn Mischgüter mit großen Dichteunterschieden vorliegen?
Ein Konus-Einwellenmischer bietet bei Mischgütern mit großen Dichteunterschieden keinen grundsätzlichen physikalischen Vorteil gegenüber einem klassischen zylindrischen Vertikalmischer. Beide Bauformen arbeiten mit einer konvektiven Zwangsströmung: Ein rotierendes Wendel- oder Schraubenbandwerkzeug fördert das Schüttgut entlang der Behälterwand nach oben, während das Produkt im Zentrum unter Schwerkrafteinfluss wieder nach unten strömt. Durch die wiederholte Zirkulation werden die Komponenten räumlich verteilt und ausgetauscht. Sowohl konische als auch zylindrische Vertikalmischer können daher bei passender Auslegung eine ideale Zufallsverteilung erzielen. Diese technisch ideale Mischgüte ist unter den jeweiligen Prozessbedingungen in der Praxis nicht weiter verbesserbar.
Große Unterschiede der Schüttdichten bleiben dennoch eine anspruchsvolle Mischaufgabe. Sie können die Neigung zur Entmischung erhöhen, insbesondere während des Austrags, an Fallstrecken, infolge von Vibrationen, bei pneumatischer Förderung oder in nachgeschalteten Behältern. Die Behälterform allein verhindert diese Effekte nicht. Entscheidend sind zusätzlich Partikelgrößenverteilung, Partikelform, Kohäsivität, Feuchte, Füllgrad, Mischwerkzeuggeometrie, Drehzahl, Reihenfolge der Rohstoffzugabe, Mischzeit sowie die Gestaltung von Austrags-, Förder- und Abfüllstrecke. Unterschiede in Korngröße und Schüttdichte gehören zu den wesentlichen Treibern der Segregation. Deshalb sollte die Homogenität nicht nur nach dem Ende des Mischvorgangs, sondern auch während des Austrags und nach den nachfolgenden Materialtransfers bewertet werden.
Die Vorteile des Konus-Einwellenmischers liegen vor allem in seiner Prozessführung. Die nach unten verjüngte Behältergeometrie bündelt das Mischgut in der Austragszone und unterstützt den schwerkraftgestützten Produktaustrag. Bei ausreichend fließfähigen Mischgütern kann dies die Restmenge verringern und eine wirtschaftliche Entleerung fördern. Die konische Form vermeidet horizontale Ablagerungsflächen und ermöglicht häufig einen breiten Arbeitsbereich bei den Füllgraden. Der tatsächlich nutzbare Füllgradbereich, die Restentleerung und die Austragsgeschwindigkeit hängen jedoch stets von Kohäsivität, Haftneigung, Partikelstruktur, Feuchte, Werkzeuggeometrie und der Ausführung der Austragsarmatur ab.
Bei kleinen Chargen kann der Konusmischer außerdem Vorteile bei der Einbindung eines Schneidrotors bieten. Durch die Verjüngung des Behälters konzentriert sich das Produkt im unteren Bereich. Ein dort angeordneter Schneidrotor wird deshalb auch bei kleineren Füllmengen zuverlässig mit Produkt beaufschlagt. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn kohäsive Pulver desagglomeriert, geringe Flüssigkeitsmengen verteilt oder kleinteilige Vormischungen hergestellt werden sollen. Die tatsächliche Wirksamkeit hängt von Füllgrad, Kohäsivität, Agglomeratfestigkeit, Werkzeuggeometrie und Drehzahl ab und sollte mit dem Originalprodukt überprüft werden.
Bei Mischungen mit großen Dichteunterschieden kann eine gezielte Benetzung sinnvoll sein, sofern sie mit der Produkt- und Rezepturspezifikation vereinbar ist. Feinpartikel können dabei an gröbere Trägerpartikel angelagert werden. Diese gezielte Feinstaubagglomeration kann die Anzahl frei beweglicher Feinanteile verringern und damit das Entmischungsrisiko entlang der weiteren Prozesskette reduzieren. Voraussetzung ist eine gleichmäßige, reproduzierbare Dosierung kleiner Flüssigkeitsmengen sowie eine ausreichend intensive Verteilung der Flüssigkeit. Die Zugabemenge muss so gewählt werden, dass keine unerwünschten Klumpen, lokale Überfeuchtung, veränderte Fließfähigkeit oder Qualitätsbeeinträchtigungen entstehen. Ob die Benetzung die Austragsstabilität tatsächlich verbessert, ist für jede Rezeptur anhand von Misch-, Lager-, Förder- und Abfüllversuchen zu prüfen.
Der klassische zylindrische Vertikalmischer hat seine Stärken vor allem bei großen Chargenvolumina. Bei gleichem Außendurchmesser nutzt ein zylindrischer Mischraum das verfügbare Bauvolumen effizienter als ein Konus. Das kann bei begrenzter Stellfläche, hohen Durchsätzen oder großen Nutzvolumina wirtschaftlich vorteilhaft sein. Die gleichmäßige Behältergeometrie lässt sich für stabile Großchargenprozesse auslegen. Ob ein zylindrischer Mischer bei einer bestimmten Rezeptur ebenso gut entleert werden kann wie ein Konusmischer, hängt von Bodengeometrie, Austragsarmatur, Werkzeug-Wand-Abständen und den Fließeigenschaften des Produkts ab.
Die Auswahl bei großen Dichteunterschieden sollte daher nicht über eine vermeintlich höhere Segregationssicherheit des Konusmischers erfolgen. Entscheidend ist, welcher Mischer in Verbindung mit Rezeptur, Beschickungsreihenfolge, Mischparametern und nachgelagerter Prozesskette die erforderliche Homogenität erreicht und bis zur Abfüllung erhält. Dazu gehören gegebenenfalls Vormischungen für Kleinkomponenten, eine gezielte Benetzung zur Feinstaubagglomeration, eine entmischungsarme Austragsgeometrie sowie eine auf das Mischgut abgestimmte Förder- und Abfülltechnik. Eine Charge kann im Mischraum ideal homogen sein und sich anschließend dennoch beim Entleeren oder Fördern wieder entmischen.
Konus-Einwellenmischer AM gegenüber klassischen Vertikalmischern
Der amixon® Konus-Einwellenmischer AM und die klassischen amixon® Vertikalmischer arbeiten nach demselben grundlegenden Mischprinzip: Ein SinConvex®-Schraubenbandwerkzeug fördert das Mischgut im wandnahen Bereich aufwärts, während es im Zentrum unter Schwerkrafteinfluss wieder abwärts strömt. Diese Kombination erzeugt eine dreidimensionale Totalverströmung, in der die Produktbereiche kontinuierlich neu verteilt werden. Bei geeigneter Auslegung können sowohl Konusmischer als auch zylindrische Vertikalmischer eine technisch ideale Zufallsmischung erreichen. Dies gilt auch für Komponenten mit unterschiedlichen Schüttdichten, Partikelgrößen und Fließeigenschaften.
Große Schüttdichteunterschiede bleiben grundsätzlich eine anspruchsvolle Aufgabe, denn sie können eine Entmischung insbesondere nach dem eigentlichen Mischen begünstigen. Kritische Situationen entstehen häufig beim Austrag, an Fallstrecken, bei Vibrationen, während der Förderung oder bei der Abfüllung. Der Konus-Einwellenmischer verhindert solche Effekte nicht allein durch seine Behältergeometrie. Der Vorteil liegt vielmehr in der kontrollierten, intensiven und zugleich vergleichsweise niedertourigen Produktumwälzung. Bei Umfangsgeschwindigkeiten von etwa 0,8 bis 3,5 m/s wird das Produkt kontinuierlich umgeschichtet, ohne eine ausgeprägt zentrifugale Trennung zu fördern. Die geeignete Drehzahl, Mischdauer und Beschickungsreihenfolge werden immer aus Produktverhalten und Mischaufgabe abgeleitet.
Die konische Geometrie des AM bietet besonders beim Austrag einen prozesstechnischen Vorteil. Das Mischgut wird zum zentralen Auslauforgan zusammengeführt. Bei rieselfähigen Produkten kann eine sehr weitgehende Restentleerung erreicht werden. Dies reduziert Produktverluste, erleichtert Rezepturwechsel und senkt den Aufwand für Reinigung und Freigabe. Die tatsächlich erzielbare Restmenge hängt jedoch von Partikelstruktur, Kohäsivität, Feuchte, Haftneigung, Austragsarmatur und Betriebsweise ab. Eine Angabe wie „99,98 Prozent“ sollte deshalb nur als konkret nachgewiesener Wert für ein definiertes Produkt und eine konkrete Apparateausführung verwendet werden, nicht als allgemeines Leistungsversprechen.
Der Konus erweitert außerdem das nutzbare Füllgradfenster nach unten. Durch die sich verjüngende Behältergeometrie wird auch eine kleine Produktmenge im bodennahen Bereich wirksam erfasst. Dies ist vorteilhaft, wenn im selben Mischer Klein- und Großchargen verarbeitet werden oder wenn eine Vormischung mit geringer Füllmenge erforderlich ist. Bei entsprechender Ausführung kann ein Schneidrotor auch bei niedrigem Füllgrad ausreichend mit Produkt beaufschlagt werden. Das unterstützt die Desagglomeration kohäsiver Pulver und die gleichmäßige Einarbeitung kleiner Flüssigkeitsmengen. Ob ein bestimmter Füllgrad prozesssicher funktioniert, muss für die jeweilige Rezeptur durch Versuche mit Originalprodukt belegt werden.
Klassische zylindrische Vertikalmischer wie VM und HM bieten ihre besonderen Stärken bei großen Chargenvolumina. Bei gleichem Außendurchmesser nutzt ein zylindrischer Mischraum den vorhandenen Bauraum besser als ein konischer Behälter. Dies kann bei großen Durchsätzen, begrenzter Aufstellfläche und hohen Nutzvolumina wirtschaftlich entscheidend sein. Der Zweiwellenmischer HM kann durch zwei überlagerte Produktströme zudem kurze Mischzeiten ermöglichen. Die Wahl zwischen AM, VM und HM richtet sich deshalb nach Chargenspektrum, Füllgradbereich, geforderter Mischzeit, Austragsanspruch, Aufstellfläche, Bauhöhe, Produktverhalten und Reinigungsstrategie – nicht nach einer pauschal besseren Mischgüte einer bestimmten Behälterform.
Die amixon® Bauformen verfügen über gemeinsame hygienische und prozesstechnische Optionen. Dazu gehören totraumarm ausgeführte Mischräume und Auslaufarmaturen, fugenfrei verschweißte und verschliffene produktberührte Oberflächen, nur oben gelagerte Mischwerke ohne untere Wellendurchführung im Produktbereich, Flüssigkeitszugaben, Schneidrotoren sowie eine Auslegung für staubexplosionsgefährdete Bereiche bis ATEX Zone 20. Für hygienisch kritische Anwendungen sind abhängig von der konkreten Projektkonfiguration Ausführungen nach EHEDG sowie unter Berücksichtigung von FDA- und 3-A-Anforderungen möglich. Große CleverCut®-Inspektionstüren und OmgaSeal®-Dichtungen verbessern die Zugänglichkeit produktberührter Bereiche. Integrierte Waschlanzen oder vollautomatische Nassreinigung können die Reinigung unterstützen; ob eine Trocken- oder Nassreinigung erforderlich ist, wird durch Produkt, Hygieneanforderung und Wechselstrategie bestimmt.
Das amixon® Baugrößenprogramm ermöglicht eine Anpassung an unterschiedliche Chargengrößen. Vertikal- und Konusmischer wie VM, HM und AM sowie Mischtrockner-Reaktoren wie VMT und AMT können je nach Aufgabenstellung in abgestuften Baugrößen bis etwa 50.000 Liter ausgeführt werden. Der Gyraton® GM deckt große Chargen im Bereich von etwa 10 bis 100 m³ ab. Für kleinere Chargen stehen der Einwellenmischer EM mit etwa 5 bis 200 Litern sowie der Containermischer COM für etwa 100 bis 4.000 Liter zur Verfügung. Der technisch nutzbare Füllgradbereich kann bei geeigneter Auslegung etwa 10 bis 100 Prozent des Nutzvolumens betragen; die konkrete Eignung hängt aber vom Produkt und der gewählten Mischerausführung ab.
Für Produkte mit großen Dichteunterschieden empfiehlt sich ein direkter Vergleich unter realistischen Bedingungen. Im amixon® Technikum können Mischzeit, Homogenität, Desagglomeration, Flüssigkeitseintrag, Restentleerung, Wechselzeit und Reinigbarkeit mit Originalprodukt untersucht werden. Ergänzend sollte die Mischung nicht nur unmittelbar im Mischer, sondern auch nach Austrag, Förderung und Abfüllung beprobt werden. Damit lässt sich sicherstellen, dass die erzielte Homogenität über die gesamte Prozesskette erhalten bleibt.