Welche Optionen zur Temperierung (Heizen/Kühlen) stehen in Vertikal-Einwellenmischern zur Verfügung?
Vertikal-Einwellenmischer können für Heiz- und Kühlaufgaben mit indirekter Temperierung ausgestattet werden. Die Optionen reichen vom einfachen Behältermantel bis zur vollständigen Temperierung von Mischwelle und Mischwerkzeugen. Welche Lösung geeignet ist, hängt nicht allein von der gewünschten Produkttemperatur oder der benötigten Heiz- beziehungsweise Kühlleistung ab. Entscheidend sind ebenso Produktzustand, Wärmeleitfähigkeit, Füllgrad, Viskosität, mögliche Phasenwechsel, Mischdauer, hygienische Anforderungen sowie ein möglicher Vakuum- oder Druckbetrieb.
Bei geschlossenen Mischern erfolgt die Wärmeübertragung in der Regel indirekt. Das Temperiermedium bleibt vom Produkt getrennt und gibt Wärme über die Behälterwand oder temperierte Einbauten an das Mischgut ab beziehungsweise nimmt Wärme aus ihm auf. Die Mischbewegung erneuert dabei fortlaufend die Produktschicht an den wärmeübertragenden Flächen und verbessert so den Wärmeübergang. Dieses Prinzip eignet sich besonders für empfindliche, toxische, lösemittelhaltige, staubende oder hygienisch anspruchsvolle Produkte.
Die Standardausführung ist ein Doppelmantel am zylindrischen Mischraum und gegebenenfalls am konischen oder gewölbten Boden. Im Mantel zirkuliert ein Heiz- oder Kühlmedium. Für Heizaufgaben kommen Warmwasser, Heißwasser, Dampf oder Thermalöl zum Einsatz. Warm- und Heißwasser eignen sich für moderate Temperaturbereiche und gut regelbare Prozesse. Dampf ermöglicht hohe Wärmeströme und kurze Aufheizzeiten, setzt aber eine geeignete Druckauslegung, Kondensatführung und Sicherheitsbetrachtung voraus. Thermalöl wird bevorzugt, wenn höhere Temperaturen oder ein breiter Temperaturbereich erforderlich sind. Für Kühlaufgaben werden meist Kühlwasser, Glykol-Wasser-Gemische oder Sole verwendet. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser kann eine speziell ausgelegte Kälteanlage erforderlich sein.
Der Behältermantel kann als konventioneller Doppelmantel, Kanalmantel, Halbrohrschlange oder Kissenplattenmantel ausgeführt werden. Welche Bauform passend ist, hängt vom zulässigen Druck des Temperiermediums, der benötigten Wärmeleistung, dem Temperaturbereich, der Behältergeometrie und der mechanischen Auslegung ab. Halbrohrschlangen eignen sich beispielsweise für hohe Drücke auf der Medienseite. Kanal- oder Kissenplattenmäntel können eine gezielte Strömungsführung ermöglichen. Die Wärmeübertragungsleistung wird jedoch nicht allein durch die Mantelbauform bestimmt. Wesentlich sind auch Medium, Strömungsgeschwindigkeit, Temperaturdifferenz, Verschmutzungsneigung, Produktbewegung und Kontaktzeit des Mischguts mit der Behälterwand.
Ein Behältermantel ist häufig ausreichend, wenn das Produkt gut umgewälzt wird, eine moderate Heiz- oder Kühlrate genügt und keine sehr engen Temperaturtoleranzen eingehalten werden müssen. Bei schlecht wärmeleitenden, hochviskosen, pastösen oder stark isolierenden Produkten kann die Mantelfläche allein jedoch zu klein sein. In diesen Fällen kann es sinnvoll sein, zusätzlich die Mischwelle und die Mischwerkzeuge zu temperieren.
Eine temperierte Mischwelle wird als Hohlwelle ausgeführt und von einem Heiz- oder Kühlmedium durchströmt. Auch Mischarme, Helixwerkzeuge oder Schraubenbänder können hohl ausgeführt und temperierbar gestaltet werden. Dadurch erfolgt der Wärmeeintrag oder Wärmeentzug nicht nur über die Behälterwand, sondern zusätzlich im Produktinneren. Die aktive Wärmeübertragungsfläche steigt und lange Wärmewege durch das Schüttgut werden verkürzt. Dies kann besonders bei Vakuum-Kontakttrocknung, bei pastösen oder kristallisierenden Produkten, bei zähplastischen Zwischenphasen sowie bei Reaktionen mit hoher Wärmefreisetzung oder engen Temperaturvorgaben vorteilhaft sein.
Die Versorgung temperierter Mischwellen und Werkzeuge erfolgt über geeignete Drehdurchführungen. Diese müssen auf das Temperiermedium, den Druck, die Temperatur, die Drehzahl, die Dichtheitsanforderungen und den Wartungsbedarf ausgelegt werden. Bei Dampf, Thermalöl oder tiefkalten Medien sind Werkstoffwahl, thermische Ausdehnung, Belastung der Dichtungen und Sicherheitsaspekte besonders wichtig. Temperierte Innenwerkzeuge verbessern zwar den Wärmeübergang, erhöhen aber auch die technische Komplexität, den Reinigungsaufwand und die Investitionskosten. Ihre Verwendung sollte deshalb über den tatsächlichen Bedarf an Wärmeübertragungsleistung und anhand von Produktversuchen entschieden werden.
Zusätzliche Temperierflächen können bei speziellen Prozessanforderungen sinnvoll sein. Ein temperierter Deckel kann beispielsweise verhindern, dass Dämpfe an einer kalten Deckelfläche kondensieren, Tropfen zurück in das Produkt fallen oder sich lokale Anbackungen bilden. Ob ein beheizter Deckel erforderlich ist, hängt vor allem von Produkttemperatur, Dampfdruck, Vakuumniveau, Deckelgeometrie und Brüdenführung ab. Auch Austragsorgane, Produktstutzen, Filter, Dosierlanzen oder andere Einbauten können temperiert werden. Dies ist besonders bei schmelzenden oder erstarrenden Bindern, fetthaltigen Rezepturen, kristallisierenden Medien und viskosen Flüssigzugaben relevant. Ziel ist es, kritische Kaltstellen zu vermeiden und Viskosität oder Fließfähigkeit im gewünschten Bereich zu halten.
Elektrische Mantelheizungen, Heizbänder oder Heizmatten sind eine Alternative, wenn nur eine moderate Heizleistung benötigt wird oder die Anlage unabhängig von einem zentralen Wärmeträgerkreislauf arbeiten soll. Sie eignen sich für reine Heizaufgaben, bieten jedoch keine direkte Kühlfunktion. Bei hohen Leistungen, hohen Temperaturen oder schnellen Temperaturwechseln sind wasser-, dampf- oder thermalölgeführte Temperierkreise häufig besser regelbar und wirtschaftlicher.
Vakuum kann die Temperaturführung sinnvoll ergänzen. Unter reduziertem Druck sinkt die Verdampfungstemperatur von Wasser oder Lösemitteln. In Verbindung mit einem beheizten Behältermantel und gegebenenfalls temperierten Mischwerkzeugen ermöglicht dies eine Kontakt- und Vakuumtrocknung bei vergleichsweise niedriger Produkttemperatur. Voraussetzung sind ein vakuumfester und ausreichend dichter Mischer, geeignete Wellen- und Deckeldichtungen, ein Brüdenfilter, ein Vakuumsystem sowie bei lösemittelhaltigen Produkten eine geeignete Kondensations- und Rückgewinnungseinheit.
Das Vakuum senkt zwar die Siedetemperatur, liefert aber selbst keine Verdampfungsenergie. Diese muss über Behältermantel, Mischwelle, Mischwerkzeuge oder andere Wärmeübertragungsflächen in das Produkt eingetragen werden. Gerade bei Pulvern, die schlecht Wärme leiten und viel eingeschlossene Luft enthalten, ist die Kombination aus guter Produktumwälzung und ausreichend großen temperierten Flächen entscheidend für eine wirksame Trocknung.
Für eine präzise Temperaturregelung werden Temperaturmessstellen im Produkt sowie im Vor- und Rücklauf des Temperiermediums eingesetzt. Bei kritischen Prozessen können zusätzliche Sensoren an Welle, Deckel, Filter oder Austragsorgan sinnvoll sein. Eine Kaskadenregelung kann die Produkttemperatur über Temperatur oder Massenstrom des Heiz- beziehungsweise Kühlmediums führen. Bei exothermen Reaktionen oder bei thermisch empfindlichen Produkten gehören Temperaturgrenzen, Alarmfunktionen und eine definierte Sicherheitsreaktion auf den Ausfall von Kühlung, Mischwerk oder Energieversorgung zum Prozesskonzept.
So löst amixon® diese Aufgabe
Welche Optionen zur Temperierung, also zum Heizen und Kühlen, in Vertikal-Einwellenmischern zur Verfügung stehen, hängt bei amixon® vom Apparate- und Prozesskonzept ab. Die Möglichkeiten reichen vom temperierbaren Doppelmantel bis zur vollständigen Temperierung aller produktberührenden Misch- und Funktionselemente. So kann die Temperaturführung nicht als nachgeschalteter Schritt, sondern als integrierte Prozessfunktion unmittelbar während des Mischens, Reagierens, Konditionierens oder Trocknens erfolgen.
amixon® Mischer können auf Wunsch mit einem Doppelmantel zum Heizen, Kühlen und gegebenenfalls zur Vakuumtrocknung ausgestattet werden. Dies gilt beispielsweise für den Einwellenmischer EM, dessen Doppelmantel für Temperier- und Vakuumtrocknungsaufgaben genutzt werden kann, sowie für Vertikal-Einwellenmischer der Baureihe VM mit beheiz- und kühlbaren Mantelflächen. Bei den Mischtrockner-Reaktoren VMT und AMT lässt sich der Temperierumfang deutlich erweitern: Neben dem Behältermantel können auch die Mischwelle, die Mischwerkzeuge mit Armen und Helix, Mannöffnungen, Austragsorgane und Brüdenfilter temperiert werden. Dadurch steht nicht nur an der Behälterwand, sondern auch direkt im bewegten Produktvolumen eine große Wärmetauschfläche zur Verfügung.
Als Wärmeträger können Wasser, Dampf oder Thermalöl verwendet werden. Mit demselben Temperiersystem lassen sich Heiz- und Kühlaufgaben abbilden, sofern die zugehörige Medienversorgung entsprechend ausgelegt ist. Welches Medium eingesetzt wird, richtet sich nach dem erforderlichen Temperaturbereich, der gewünschten Aufheiz- oder Abkühlgeschwindigkeit, der verfügbaren Infrastruktur sowie den Anforderungen des jeweiligen Produkts und Verfahrens. Während Wasser für viele moderate Temperieraufgaben eine gut regelbare Lösung darstellt, eignet sich Dampf für hohe Wärmeströme und schnelle Aufheizvorgänge. Thermalöl kann vorteilhaft sein, wenn hohe Temperaturen oder große Temperaturbereiche erforderlich sind.
Gerade bei Pulverschüttungen ist der Wärmetransport oft der begrenzende Faktor. Pulver leiten Wärme vergleichsweise schlecht, enthalten häufig Luft und bilden ohne ausreichende Durchmischung isolierende Produktschichten an den Wärmeübertragungsflächen. amixon® begegnet dieser Herausforderung durch die Kombination großer spezifischer Wärmetauschflächen und einer intensiven Produktumwälzung. Die SinConvex®-Totalverströmung führt kontinuierlich frisches Produkt an Mantel, Welle und Mischwerkzeuge. Dadurch können Wärmeübertragung und Stoffaustausch auch in großen Apparaten schnell erfolgen. Dieses Prinzip wird beispielsweise in 30-m³-Konusreaktoren für die Stärkeaufbereitung eingesetzt, deren Oberflächen vollständig temperierbar ausgeführt sind.
Typische Einsatzfälle sind das Halten von Fetten oberhalb ihres Schmelzpunkts, um eine klumpenfreie Einmischung zu ermöglichen und Fettschmelzen kontrolliert zu verarbeiten. Weitere Anwendungen sind das Kühlen reaktiver Systeme, das Fahren definierter Temperaturprofile für Kristallisation oder Konditionierung sowie die Beschleunigung der Vakuumtrocknung bei niedriger Produkttemperatur. Bei der Vakuumtrocknung senkt der reduzierte Druck die Verdampfungstemperatur; die notwendige Verdampfungsenergie wird über die temperierten Flächen in das Produkt eingebracht. Eine großflächige Temperierung von Mantel und Mischwerk unterstützt dabei kurze und reproduzierbare Trocknungszeiten.
Temperatur- und Zeitprofile können als Mischprogramm in der SPS hinterlegt werden. Dadurch lassen sich Prozesse chargenweise reproduzierbar fahren und an unterschiedliche Rezepturen anpassen. Der Verlauf von Produkttemperatur und Drehmoment kann zusätzlich genutzt werden, um Zustandsänderungen im Produkt zu erkennen und Prozessendpunkte, etwa bei Trocknung, Konditionierung, Agglomeration oder dem Einmischen von Schmelzen, sicherer zu bestimmen.
Da jeder amixon® Apparat als kundenspezifisches Unikat auf Grundlage einer User Requirement Specification, kurz URS, ausgelegt wird, werden Temperierumfang, Wärmetauschflächen, Anschlussleistung, Medienführung und Regelung projektspezifisch definiert. Bestehende Anlagen können im Rahmen von Modernisierungen und Nachrüstungen technisch ertüchtigt werden, sofern Konstruktion, Druckauslegung, verfügbare Einbauräume und Medienversorgung dies zulassen. Das Temperaturverhalten des konkreten Produkts kann vorab im amixon® Technikum innerhalb des vorgesehenen Temperatur- und Druckbereichs überprüft werden, sodass sich Wärmeübergang, Mischverhalten, Trocknungsdauer und mögliche kritische Produktzustände realitätsnah bewerten lassen.
Für regulierte Produktionsumgebungen können amixon® Anlagen qualifizierbar und dokumentiert ausgeführt werden. Das Unternehmen unterstützt dabei die Qualifizierungsphasen DQ, IQ und OQ; die Ausführung und Dokumentation können sich an Anforderungen wie EU-GMP und FDA 21 CFR Part 11 orientieren. Je nach Projekt können zudem einschlägige Anforderungen und Standards wie EHEDG, FDA-Hygienerichtlinien, 3-A Sanitary Standards, USDA, GMP, ATEX und ASME berücksichtigt werden. Die Temperierfunktion wird damit nicht isoliert betrachtet, sondern in das gesamte Validierungs-, Sicherheits- und Prozesskonzept der Anlage integriert.
amixon® entwickelt und fertigt seine Apparate im Werk Paderborn mit hoher Fertigungstiefe und einer durchgängigen Qualitätskontrolle. Die auftragsbezogene Konstruktion auf Basis der jeweiligen URS erlaubt es, Temperierung, Apparategeometrie, Oberflächen, Dichtungen, Werkstoffe, Messstellen und Automatisierung genau auf die Produktionsaufgabe abzustimmen. Diese Fertigungshoheit unterstützt zugleich die langfristige Ersatzteil- und Nachrüstbarkeit, da Bauteile und Spezifikationen dokumentiert und auch über lange Einsatzzeiten hinweg nachvollziehbar bleiben.