Welche Mischwerkzeuge und Ausrüstungsoptionen eignen sich besonders gut, wenn Schüttgüter heterogen sind und verschiedene Schüttdichten aufweisen?
Bei heterogenen Schüttgütern mit unterschiedlichen Schüttdichten, Partikelgrößen, Formen und Fließeigenschaften ist nicht ein einzelnes Mischwerkzeug entscheidend, sondern das abgestimmte Zusammenspiel aus Mischprinzip, Werkzeuggeometrie, Dosierung, Betriebsweise und Austragskonzept. Besonders wichtig ist, dass das Mischsystem alle Produktbereiche wiederholt in eine aktive Mischzone einbindet und die Mischung anschließend möglichst ohne Fallstrecken, Vibrationen oder ungünstige Pufferung ausgetragen wird. Unterschiede in Partikelgröße, Form und Dichte gehören zu den wichtigsten Ursachen für Entmischung; diese kann während des Mischens, aber besonders häufig beim Austrag und in nachgeschalteten Behältern auftreten.
Geeignete Mischprinzipien
Für große Unterschiede der Schüttdichten und Partikelmerkmale eignen sich aktiv konvektive Mischsysteme in vielen Fällen besser als reine Freifallmischer. Dazu gehören langsam oder moderat betriebene Paddel-, Schaufel-, Pflugschar-, Wendel- und Mehrwellenmischer. Sie erzeugen definierte Produktströme und verkürzen den Weg, den einzelne Komponenten für eine vollständige räumliche Verteilung zurücklegen müssen. Welches Konzept am besten passt, hängt jedoch wesentlich von Kohäsivität, Abrasivität, Partikelempfindlichkeit, Zielmischzeit und Charge ab.
Pflugscharmischer können eine intensive mechanische Fluidisierung erzeugen und sind sinnvoll, wenn kohäsive Pulver, Agglomerate oder schwierige Kleinkomponenten rasch verteilt werden müssen. Die hohe Mischintensität kann jedoch auch Partikelbruch, Abrieb, Wärmeentwicklung und bei zu langer Bearbeitung eine erneute Entmischung fördern. Sie sind daher nur dann sinnvoll, wenn die Rezeptur diese Beanspruchung zulässt.
Doppelwellen-Paddel- oder Schaufelmischer erzeugen überlagerte Mischströme und können bei geeigneter Werkzeuggeometrie eine kurze Mischzeit ermöglichen. Sie eignen sich für heterogene Mischungen, wenn gleichzeitig eine gute dreidimensionale Verteilung und eine vergleichsweise begrenzte Partikelbeanspruchung gefordert sind. Bei sehr empfindlichen Granulaten oder bruchempfindlichen Komponenten sollten Werkzeuggeschwindigkeit, Schaufelwinkel, Füllgrad und Austrag besonders sorgfältig geprüft werden.
Vertikale Konus- oder Wendel-Schneckenmischer sind vorteilhaft, wenn eine schonende, konvektive Produktumwälzung mit variablen Füllgraden verlangt wird. Sie können gut für Produkte geeignet sein, deren Struktur möglichst erhalten bleiben soll. Bei stark kohäsiven Feinpartikeln oder festen Agglomeraten reicht die reine Wendelbewegung allerdings möglicherweise nicht aus. In diesem Fall kann eine zeitlich begrenzte Intensivmischstufe oder eine vorgelagerte Vormischung erforderlich sein.
Trogmischer mit Bandwendeln sind für gut fließende Produkte und moderate Unterschiede der Komponenten eine wirtschaftliche Lösung. Bei extremen Dichte- oder Korngrößenunterschieden besteht jedoch ein erhöhtes Risiko, dass die Produktumwälzung nicht alle Zonen ausreichend erfasst oder dass sich die Mischung beim Austrag wieder trennt. Freifallmischer wie Doppelkonus-, V- oder Taumelmischer sind besonders schonend, aber vor allem für gut fließende, weitgehend agglomeratfreie und hinsichtlich Partikeleigenschaften ausreichend ähnliche Komponenten geeignet. Bei deutlichen Unterschieden von Größe, Form oder Dichte können sie längere Mischzeiten benötigen und zu Entmischung neigen.
Werkzeuge und Optionen
Paddel und Schaufeln mit definierter Anstellung können axiale, radiale und tangentiale Produktströme kombinieren. Eine gezielte Werkzeuganordnung hilft, das gesamte Volumen zu erfassen und produktarme Randbereiche zu vermeiden. Pflugscharwerkzeuge heben das Produkt von der Behälterwand ab und erzeugen ein intensives Strömungsfeld. Wendel- und Schraubenbandwerkzeuge fördern das Produkt kontrolliert entlang der Wand und führen es in den zentralen Rückstrom. Die optimale Werkzeugform ist nicht pauschal aus dem Dichteverhältnis ableitbar; sie muss zu Partikelstruktur, Kohäsivität, Abrasivität und Partikelempfindlichkeit passen.
Wandnahe Abstreifer können bei anhaftenden oder feuchten Produkten sinnvoll sein, um Produktaufbau an Behälterwand und Boden zu begrenzen. Bei trockenen, abrasiven Pulvern müssen sie jedoch so ausgelegt werden, dass sie keine unnötigen Reib- und Abriebszonen erzeugen. Einstellbare Werkzeugwinkel oder austauschbare Werkzeuge können die Flexibilität bei wechselnden Rezepturen erhöhen, müssen aber hygienisch, mechanisch stabil und reproduzierbar positionierbar ausgeführt werden.
Zerhacker, Chopper oder Messerköpfe sind sinnvoll, wenn kohäsive Agglomerate gezielt aufgeschlossen werden müssen. Sie sollten nicht dauerhaft als Ersatz für eine geeignete Grundmischkinematik eingesetzt werden. Eine zeitlich begrenzte Zuschaltung in einer klar definierten Prozessphase reduziert die Beanspruchung der Gesamtcharge. Besonders bei empfindlichen, beschichteten oder abrasiven Partikeln sollte geprüft werden, ob der gewonnene Desagglomerationseffekt den möglichen Partikelbruch oder Abrieb rechtfertigt.
Eine präzise Flüssigkeitsdosierung kann in geeigneten Rezepturen helfen, Feinanteile an gröbere Trägerpartikel anzubinden und damit die Perkolation zu verringern. Dosierlanzen, Sprühdüsen oder Zweistoffdüsen sollten die Flüssigkeit in eine aktive Mischzone eintragen. Menge, Tropfengröße, Dosierdauer und Zugabezeitpunkt müssen kontrolliert werden, damit keine lokalen Überfeuchtungen, Klebrigkeitsnester oder unerwünschten Agglomerate entstehen. Bei feuchteempfindlichen oder wasserreaktiven Produkten ist dieser Ansatz selbstverständlich nicht geeignet.
Variable Drehzahlregelung über Frequenzumrichter erlaubt eine prozessgerechte Fahrweise. Beispielsweise kann die Charge nach der Beschickung zunächst schonend homogenisiert, dann kurzfristig intensiver zur Desagglomeration bearbeitet und anschließend wieder mit geringer Belastung ausgemischt werden. Die Mischzeit sollte so kurz wie möglich und nur so lang wie nötig sein. Übermischen kann bei entmischungsanfälligen Produkten die Homogenität wieder verschlechtern.
Dosierung und Austrag
Bei großen Dichte- oder Partikelgrößenunterschieden ist die Zugabestrategie oft genauso wichtig wie der Mischer selbst. Kleinkomponenten und Feinpartikel sollten nicht in stagnierende Randzonen fallen, sondern kontrolliert in eine aktive Produktströmung dosiert werden. Geometrische Vormischungen können sinnvoll sein, wenn hochkonzentrierte Additive, Farbstoffe, Wirkstoffe oder sehr feine Komponenten in niedriger Dosierung verteilt werden müssen. Gravimetrische Dosiersysteme unterstützen reproduzierbare Einwaagen und helfen, Dosierfehler von tatsächlichen Mischproblemen zu unterscheiden.
Der Austrag muss als Teil der Mischaufgabe betrachtet werden. Ein Massenflussbehälter sorgt dafür, dass sich das Produkt über den gesamten Querschnitt bewegt, während bei Kern- oder Schachtfluss einzelne Bereiche länger stehen bleiben und Fraktionen sich bevorzugt austragen können. Steile Wandwinkel, geeignete Wandwerkstoffe, ausreichend große Auslaufquerschnitte und ein passendes Austragsorgan fördern Massenfluss. Dadurch werden sowohl Entmischung als auch Brückenbildung und Totzonen reduziert.
Freie Fallstrecken und starke horizontale Umlenkungen sollten minimiert werden. Sie fördern Flugbahn-, Roll- und Perkolationsentmischung. Bei pneumatischer Förderung kann eine schonende, langsamere Dichtstromförderung vorteilhaft sein, sofern sie für das Produkt technisch geeignet ist. Vibrationen an Förderern, Behältern und Verpackungsstationen sollten ebenfalls kritisch geprüft werden, weil sie eine feine Fraktion nach unten bewegen und grobe Partikel aufsteigen lassen können.
Kennzahlen und Prüfung
Die Froude-Zahl Fr ist vor allem für rotierende Mischsysteme eine hilfreiche Kennzahl. Sie beschreibt das Verhältnis von Trägheits- zu Gravitationskräften. Bei zu niedriger Drehzahl kann die Umwälzung unzureichend sein; bei zu hoher Drehzahl können Partikel gegen die Behälterwand gedrückt werden und zentrifugieren. Ein allgemeiner Grundsatz wie „Fr>1 verhindert Segregation“ ist nicht zutreffend. Bei Fr≈1 beginnt in vielen rotierenden Systemen bereits die Zentrifugierung, weshalb für das eigentliche Mischen meist deutlich niedrigere Froude-Zahlen erforderlich sind.
Für kontinuierliche und batchweise Prozesse ergänzen weitere Kennwerte die Auslegung: Füllgrad, Anzahl der Werkzeugumdrehungen, Umfangsgeschwindigkeit, spezifischer Leistungseintrag, Mischzeit, Verweilzeitverteilung, Dosiergenauigkeit und Austragszeit. Diese Werte sind keine universellen Sollgrößen, sondern müssen anhand von Produktversuchen bestimmt werden. Die Mischgüte sollte nicht nur im Mischer, sondern durch zeitlich gestaffelte Proben während des Austrags und gegebenenfalls nach der nachgelagerten Förderung bewertet werden.
Doppelwellenmischer HM und KoneSlid® KS
Wenn Schüttgüter stark unterschiedliche Schüttdichten, Partikelgrößen, Formen oder Fließeigenschaften aufweisen, empfiehlt amixon® insbesondere den Vertikal-Zweiwellenmischer HM und – für besonders empfindliche oder grob strukturierte Produkte – den KoneSlid®-Mischer KS. Beide Systeme arbeiten mit einer aktiv erzeugten, dreidimensionalen Produktumwälzung und sind damit gegenüber reinen Freifallmischern besonders geeignet, wenn die Mischung schnell, reproduzierbar und möglichst stabil gegen spätere Entmischung hergestellt werden soll. Welche Bauform besser passt, hängt von Kohäsivität, Agglomeratanteil, Partikelempfindlichkeit, Chargengröße, Füllgradbereich, gewünschter Mischzeit und Anforderungen an den Austrag ab.
Der amixon® Doppelwellenmischer HM verwendet zwei gleichsinnig rotierende SinConvex®-Helixmischwerke. Diese erzeugen zwei überlagerte Produktströme: Das Mischgut wird im äußeren Bereich nach oben gefördert und fließt im zentralen Bereich unter Schwerkrafteinfluss wieder abwärts. In der Überlappungszone beider Ströme erfolgt ein intensiver Austausch zwischen den Komponenten. Das unterstützt eine sehr schnelle und gleichmäßige Homogenisierung, auch wenn sich die eingesetzten Schüttgüter in Schüttdichte, Partikelgröße oder Fließverhalten deutlich unterscheiden. Für kohäsive Pulver, unterschiedliche Fraktionen und Mischungen mit kleinen Zusatzmengen kann der HM zusätzlich mit Schneidrotoren oder HighShearBlades ausgestattet werden. Diese werden nur in der erforderlichen Prozessphase zugeschaltet, um Agglomerate gezielt aufzulösen oder eine Flüssigkeitszugabe fein zu verteilen.
Der KoneSlid®-Mischer KS eignet sich besonders für empfindliche, sprühgetrocknete, wirbelschichtgranulierte, bandgetrocknete oder grob strukturierte Produkte, bei denen Partikelform, Kornband, Coating oder optische Produktqualität möglichst erhalten bleiben sollen. Das zentrale SinConvex®-Mischwerkzeug fördert das Produkt im Randbereich nach oben. Im Zentrum fließt es nach unten und wird durch einen konischen Verdrängerkörper erneut in die äußere Mischzone geführt. Dadurch entsteht eine gezielte, dreidimensionale Zwangsumschichtung mit vergleichsweise niedrigem mechanischem Energieeintrag. Das gesamte Chargenvolumen kann nach etwa vier Werkzeugumdrehungen einmal umgeschichtet sein. Die gewünschte Mischgüte kann je nach Produkt, Rezeptur, Füllgrad und Zielhomogenität nach ungefähr 20 bis 40 Umdrehungen erreicht werden. Diese Werte müssen jedoch für das konkrete Produkt im Versuch abgesichert werden.
Ein wesentlicher Vorteil beider Systeme liegt darin, dass die Mischintensität nicht allein durch einen Werkzeugwechsel bestimmt wird. SinConvex®-Mischwerkzeuge arbeiten mit einer dreidimensionalen konvektiven Grundströmung. Über Drehzahl und Umfangsgeschwindigkeit lässt sich der Betriebszustand anpassen. Je nach Bauform und Mischaufgabe können Werkzeugumfangsgeschwindigkeiten von etwa 0,8 bis 3,5 m/s eingestellt werden. Für eine schonende Homogenisierung wird mit niedriger Belastung gearbeitet. Wenn es erforderlich ist, können Schneidrotoren oder HighShearBlades zeitlich begrenzt für eine gezielte Desagglomeration zugeschaltet werden. Die Grundströmung bleibt dabei auf eine vollständige und gleichmäßige Erfassung des Produktvolumens ausgelegt.
Auch die kontrollierte Flüssigkeitszugabe kann bei heterogenen Schüttgütern entscheidend sein. Flüssigkeiten, Binder, Öle oder funktionelle Additive können über Lanzen oder Zweistoffdüsen in eine aktive Mischzone eingebracht werden. In geeigneten Rezepturen können so Feinanteile an gröbere Trägerpartikel gebunden und die spätere Perkolation reduziert werden. Menge, Tropfengröße, Dosierort, Zugabezeitpunkt und Nachmischzeit müssen produktspezifisch festgelegt werden. Eine ungeeignete Dosierung kann lokale Überfeuchtung, Agglomerate oder eine Verschlechterung des Fließverhaltens verursachen.
Temperiermäntel ermöglichen das Heizen oder Kühlen von Mischraum und gegebenenfalls weiteren produktberührten Bereichen. Dies kann relevant sein, wenn die Viskosität einer Flüssigkeitszugabe beeinflusst, ein Binder aufgeschmolzen, Feuchtigkeit konditioniert oder Reaktionswärme abgeführt werden soll. Für trockene, temperaturunempfindliche Schüttgüter ist eine Temperierung nicht zwingend erforderlich, kann aber bei saisonal schwankenden Rohstofftemperaturen oder bei sensiblen Rezepturen zur besseren Prozessstabilität beitragen.
Der Füllgradbereich kann je nach Mischerbauform und Produkt groß sein. amixon® nennt für verschiedene Bauformen einen Bereich von etwa 10 bis 100 Prozent des Nutzvolumens. Ob eine ideale Zufallsmischung über den gesamten Füllgradbereich und bei jeder Rezeptur tatsächlich erreichbar ist, muss allerdings produktbezogen geprüft werden. Bei sehr niedrigen Füllgraden, stark unterschiedlichen Komponenten, niedrigen Dosieranteilen oder kohäsiven Feinanteilen können sich Mischzeit, erforderliche Intensivmischung und Homogenität verändern. Eine erneute Bewertung ist insbesondere dann nötig, wenn Rezeptur, Rohstoffqualität, Chargenmasse, Füllgradfenster oder Prozessparameter wesentlich verändert werden.
amixon® Apparate werden auf Basis einer User Requirement Specification ausgelegt. Werkzeugbestückung, Rotoranzahl, Position der Flüssigkeitsdüsen, Werkstoffe, Oberflächen, Dichtungen, Sensorik, Temperierung und Austragskonzept können auf das Produktspektrum abgestimmt werden. Bei abrasiven Mischgütern sind beispielsweise gehärtete Mischwerkzeuge, Hartmetallbestückungen oder keramische Schutzbeschichtungen möglich. Eine spätere Erweiterung kann je nach bestehender Konstruktion und verfügbarer Schnittstelle zusätzliche Dosierpunkte, Sensorik, Temperiereinrichtungen oder Intensivmischaggregate umfassen. Ob eine Nachrüstung technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt vom konkreten Bestandsapparat und von den neuen Produktanforderungen ab.
Die Eignung für ein gesamtes Produktspektrum sollte anhand der jeweils kritischsten Materialien geprüft werden. Dazu zählen beispielsweise das empfindlichste Produkt hinsichtlich Partikelbruch, das kohäsivste Pulver, das abrasivste Mischgut, die Rezeptur mit dem niedrigsten Dosieranteil oder die Mischung mit den größten Schüttdichteunterschieden. Im amixon® Technikum können diese Produkte mit realistischen Füllgraden, Mischzeiten, Drehzahlen und Zugabekonzepten untersucht werden. Bewertet werden Homogenität, Desagglomeration, Partikelschonung, Flüssigkeitsverteilung, Energieeintrag, Restentleerung, Entmischungsrisiko beim Austrag, Reinigbarkeit und Reproduzierbarkeit. Die Ergebnisse dienen als dokumentierte Grundlage für die Auslegung der Produktionsanlage.
Für unterschiedliche Chargengrößen stehen verschiedene Bauformen zur Verfügung. Vertikal- und Konusmischer wie VM, HM und AM sowie VMT- und AMT-Mischtrockner-Reaktoren können projektspezifisch von etwa 100 bis 50.000 Litern ausgeführt werden. Der Gyraton® GM deckt Großchargen im Bereich von etwa 10 bis 100 m³ ab. Für kleine Chargen stehen der EM im Bereich von etwa 5 bis 200 Litern und der Containermischer COM im Bereich von etwa 100 bis 4.000 Litern zur Verfügung. Die Auswahl der Baugröße richtet sich nach Chargenmasse, Schüttdichte, Logistik, verfügbarem Raum, Reinigungsstrategie und der geforderten Produktionskapazität.
Das Hygienic Design ergänzt die Mischtechnik. Fugenfrei verschweißte und verschliffene Mischräume und Mischwerkzeuge, nur oben gelagerte Wellen ohne untere Wellendurchführung im Produktbereich, große CleverCut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtungen sowie totraumarme Auslauforgane verbessern Zugänglichkeit, Reinigung und Produktwechsel. Integrierte Waschlanzen oder vollautomatische Nassreinigung können Trocken- und Nassreinigungsverfahren unterstützen. Je nach Projekt kann die Ausführung an EHEDG-Richtlinien sowie FDA-Hygienerichtlinien und 3-A Sanitary Standards ausgerichtet werden.