Wie plane ich Scale-up-Tests, um Mischzeit, Füllgrad und Werkzeugdrehzahl verlässlich zu übertragen?
Ein belastbares Scale-up von Mischprozessen für pulvrige Güter erfordert eine systematische Versuchsplanung, die geometrische, kinematische und dynamische Ähnlichkeit zwischen Labor, Pilot und Produktionsmaßstab berücksichtigt. Ziel ist die reproduzierbare Übertragung von Mischzeit, Füllgrad und Werkzeugdrehzahl, sodass Mischqualität, Homogenität und Produktschonung erhalten bleiben.
Grundprinzipien und Scale-up-Kriterien
Zu Beginn werden die kritischen Prozessparameter und das dominante Mischziel festgelegt, etwa Homogenisierung, Entmischungssicherheit, Produktschonung oder Restentleerung. Darauf aufbauend wird entschieden, welche Kennzahl im Scale-up bevorzugt konstant gehalten wird, zum Beispiel die Umfangsgeschwindigkeit, die Froude-Zahl oder in geeigneten Fällen ein energiebezogener Ansatz.
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.
Da nicht alle Kennzahlen gleichzeitig konstant sein können, muss das Ähnlichkeitskriterium anhand des dominanten Mischmechanismus priorisiert werden. Ein robuster Testplan umfasst auch Versuche nahe der Prozessgrenzen, um die Stabilität des Verfahrens im großen Maßstab zu bewerten.
Geometrische Ähnlichkeit und Füllgrad
Der Füllgrad ist bei Pulvermischern mit horizontal gelagerter Mischwerkwelle von großer Wichtigkeit.
Für eine verlässliche Übertragung ist geometrische Ähnlichkeit zwischen den Maßstäben entscheidend. Verhältnisse wie H zu D, d zu D sowie vergleichbare Wandabstände und Werkzeuggeometrien sollten möglichst konstant bleiben.
Der Füllgrad beeinflusst Strömungsbild, Totzonen und Leistungsaufnahme deutlich. Überfüllung begünstigt Totzonen und kann die Mischzeit verlängern, Unterfüllung kann dagegen zu ungünstigem Umlaufverhalten und reduzierter Mischwirkung führen. Empfehlenswert ist daher die Untersuchung mehrerer Füllgrade im Kleinmaßstab und die anschließende Übertragung des optimalen Bereichs.
Bestimmung und Skalierung der Mischzeit
Die Mischzeit ist keine feste Konstante, sondern eine Funktion von Drehzahl, Geometrie und Materialeigenschaften. Im Kleinmaßstab wird die Mischkinetik über Mischgütekurven erfasst und ein Zielhomogenitätsniveau definiert, etwa über den Variationskoeffizienten oder eine vergleichbare Kenngröße.
Für die Übertragung in den größeren Maßstab wird die Mischzeit experimentell abgesichert und nicht allein rechnerisch hochskaliert. Besonders bei pulvrigen Gütern sind Schüttverhalten, Kohäsion, Dichteunterschiede und Partikelgrößenverteilung so stark produktabhängig, dass Versuchswerte deutlich belastbarer sind als reine Faustformeln.
Ableitung der Werkzeugdrehzahl
Die Werkzeugdrehzahl im Zielmaßstab ergibt sich aus der gewählten Scale-up-Regel. Bei konstanter Umfangsgeschwindigkeit gilt sinngemäß, dass die Drehzahl mit wachsendem Durchmesser sinkt. Diese Vorgehensweise ist für pulvrige Güter oft besonders sinnvoll, weil sie das Bewegungsmuster der Schüttung vergleichbar hält und Überbeanspruchung vermeidet.
Die berechnete Drehzahl ist immer gegen mechanische Grenzen, produktspezifische Empfindlichkeiten und die praktische Prozessstabilität zu prüfen. Eine rein auf Rechenwerten basierende Wahl der Drehzahl reicht bei Pulvern in der Regel nicht aus.
Versuchsplanung, Messgrößen und Validierung
Für ein belastbares Scale-up bietet sich ein strukturierter Versuchsplan mit den Faktoren Drehzahl, Füllgrad und Mischzeit an. Wichtige Messgrößen sind Leistungsaufnahme, Drehmoment, Mischgüte, Restentleerung und produktbezogene Kenngrößen wie Feuchteverteilung, Homogenität oder Partikelaufbau.
Nach der Übertragung in den Produktionsmaßstab folgen Validierungsversuche, um reale Rohstoffschwankungen, Randbereiche des Füllgrads und das tatsächliche Bewegungsverhalten im Großmaßstab zu erfassen. Abweichungen werden dokumentiert und zur Verfeinerung des Skalierungsmodells genutzt.
So plant amixon® ein Versuchs- und Scale-up-Programm im Technikum
Zieldefinition vor dem ersten Versuch
Am Anfang stehen die Akzeptanzkriterien des Betreibers, also geforderte Mischgüte, Entleerungsgrad, Schonungsanforderungen, Chargengrößenspanne und Taktzeit. amixon® Experten übertragen diese Ziele in ein strukturiertes Versuchsprogramm auf einer der 35 Testanlagen allein in Paderborn, die sich auf fünf Bauarten von Präzisionsmischern erstrecken. So kann amixon® Versuche bis zur Baugröße von 3 m³ darstellen, was insbesondere für Fragen des Schüttdichteerhalts und des Erhalts der Partikelstruktur von großem Vorteil ist.
Systematische Parametervariation
Variiert werden die skalierungsrelevanten Größen Mischzeit, Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeugs im Fenster von etwa 0,8 bis 3,5 m/s, Füllgrad sowie, falls prozessrelevant, Dosierrate und Art der Flüssigkeitszugabe, zum Beispiel über Lanze oder Zweistoffdüse mit oder ohne Schneidrotor. Für jeden Versuchspunkt werden Proben gezogen und die Mischgüte bestimmt, während Entleerungsgrade gravimetrisch verifiziert werden.
Übertragung auf den Produktionsmaßstab
Weil Technikums- und Produktionsmischer mit identischem Mischprinzip arbeiten und über die Umfangsgeschwindigkeit statt allein über die Drehzahl skaliert werden, sind die gefundenen Parameter grundsätzlich gut übertragbar. Das Baugrößenraster in 100-Liter-Schritten bis 50.000 Liter erlaubt eine Auslegung exakt auf die Zielchargengröße ohne unnötigen Ähnlichkeitsbruch. Die weitgehende Kongruenz zwischen Technikum und Produktionsmaschine ist dabei ein wesentlicher Skalierungsvorteil, gestützt auf 43 Jahre Erfahrung am Markt.
Dokumentation als Investitionsgrundlage
Die Versuche werden gemeinsam durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert. Der Versuchsbericht bestätigt die Prozessparameter unter realen Bedingungen und benennt den optimalen Apparat als Grundlage, um Ziel-Mischgüte, Entleerungsgrade und Taktzeiten belastbar in die Anlagenspezifikation zu übernehmen.
Fertigung in Paderborn als Qualitätsfundament
amixon® entwickelt und fertigt ausschließlich im Werk Paderborn mit hoher 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.
Service über den Lebenszyklus
Nach der Inbetriebnahme bleibt amixon® an der Seite des Betreibers. Regelmäßige Inspektionen und vorbeugende Instandhaltung sichern die Verfügbarkeit, auf Wunsch ergänzt durch Predictive Maintenance, und die Ersatzteilversorgung bleibt langfristig abgesichert.