Kugelmischer

Kugelmischer sind Mischmaschinen, mit denen sich trockene, feuchte oder nasse Pulver homogenisieren bzw. mischen lassen. Sie können auch Flüssigkeiten mischen. In der Regel werden sie für Chargenmischprozesse eingesetzt. Das Innere der Kugel bildet den sogenannten Mischraum. In diesem rotiert ein Mischwerkzeug und schichtet das Mischgut dreidimensional um. Dieser Strömungsvorgang bewirkt eine sehr hohe Mischeffizienz, wenn die Lage der Rotationsachse des Mischwerkzeugs weder horizontal noch vertikal ausgerichtet ist. Die beste Mischwirkung wird bei schräger Anordnung erzielt. Kugelmischer können auch als Synthesereaktor oder Vakuum-Mischtrockner verwendet werden. In diesem Fall wird die Kugel doppelwandig ausgeführt. Der Doppelmantel wird von einem Wärmeträgermedium durchströmt. Auf diese Weise findet ein Stoff- und Wärmeaustausch statt.

Kugelmischer sind mit mindestens einem rotierenden Mischwerkzeug ausgestattet. Dieses garantiert die vollständige Durchmischung der gesamten Charge. Optional können zusätzliche Mischwerkzeuge vorgesehen werden. In der Regel handelt es sich dabei um schnell rotierende Zerhacker- oder Messerwerkzeuge. Diese haben einen kleineren Wirkdurchmesser und bewirken eine Desagglomeration während des Mischvorgangs. Sie erzeugen Reib- und Pralleffekte. Damit werden Klumpungen und Agglomerate aufgebrochen.

Sie sind darüber hinaus sehr effektiv, wenn Pulver befeuchtet oder ummantelt werden sollen, oder wenn dies für alle Partikel erforderlich ist. Ihr Leistungseintrag verhält sich in etwa zur 3,5-fachen Potenz der Drehfrequenz.

Die Hersteller von Kugelmischern haben verschiedene Bauformen am Markt etabliert. Einige Hersteller lagern die Mischwelle schräg oben auf der Kugel, andere schräg darunter. Andere wiederum lagern die Mischwelle schräg unterhalb der Kugel. Wieder andere lagern die Mischwerkswelle schräg oben und das zusätzliche Desagglomerierwerkzeug schräg unten. Einige Hersteller wiederum lagern sowohl das Hauptmischwerkzeug als auch das Desagglomerierwerkzeug oberhalb der Kugel.

Hauptmischwerkzeuge in Kugelmischern

Die Hersteller von Kugelmischern haben unterschiedliche Werkzeuggeometrien etabliert. Einige haben das Hauptmischwerkzeug als räumlich gekrümmten Anker ausgebildet. Andere verwenden schraubenförmige Spiralen. Wieder andere verwenden schaufelartige Werkzeuge. Entscheidend ist, dass die in der Kugel rotierenden Mischwerkzeuge unabhängig von ihrer Position immer den gleichen Abstand zur Kugelwandung haben. Dieser Abstand muss auch beim Mischen von schweren oder anhaftenden Mischgütern gewährleistet sein. Insofern müssen die Mischwerkzeuge besonders formstabil ausgeführt sein.

Befüllung mit Mischgut

Die zu mischenden Komponenten werden von oben in den Mischraum eingefüllt. Dazu ist mindestens ein Einfüllstutzen erforderlich. Einige Kugelmischer haben auch mehrere Einfüllöffnungen. Die Absperrarmatur kann wahlweise als Drehklappe, Flachschieber oder Kugelsegmentschieber ausgeführt sein. Im Gegensatz zur Entleerarmatur muss die Befüllarmatur nicht totraumfrei arbeiten. Auf der Kugeloberseite befindet sich zudem ein Entlüftungsstutzen.

Entleerung des Mischguts

Am unteren Ende der kugeligen Mischkammer befindet sich eine Absperrarmatur. Diese sollte im geschlossenen Zustand die Form eines Kugelausschnitts haben. Nur eine solche Konstruktion ist totraumfrei. Das bedeutet, dass jeder Volumenanteil in der Kugel durchmischt wird – auch direkt oberhalb der Absperrarmatur.

Reinigung und Inspektion des Mischraums

Einige Kugelmischer haben zwei Halbkugeln, die zur Inspektion aufgeklappt werden können. Andere Hersteller bauen runde oder ovale Inspektionstüren in den Mischraum ein. Auch diese müssen totraumfrei sein. Besonders bewährt hat sich die Bauart OmgaSeal®. Zum Zweck der Nassreinigung werden rotierende Tankwaschdüsen im Mischraum installiert. Es gibt auch Bauarten, bei denen die Nassreinigungsvorrichtungen dauerhaft im Mischer verbleiben.

Fragestellung: Welche Vorteile bietet die Kugel als Mischbehälter?

Das Volumen einer Kugel mit dem Radius r kann nach der folgenden Formel berechnet werden:

V = 4/3 ⋅ r³ ⋅ π

Die Oberfläche einer Kugel mit dem Radius r kann nach der folgenden Formel berechnet werden:

O = 4 ⋅ r² ⋅ π

Vergleicht man verschiedene rotationssymmetrische Körper miteinander, so hat die Kugel die kleinste spezifische Oberfläche. Dies lässt vermuten, dass sich ein kugelförmiger Mischraum leichter reinigen lässt als ein zylindrischer oder konischer Mischraum. Andererseits ist davon auszugehen, dass ein kegelförmiger Mischraum pulverförmige Mischgutreste besser austragen kann als eine Kugel. Die Produzenten sind bestrebt, ihre Mischgüter möglichst kontaminationsfrei herzustellen. Dabei spielt die Restlosentleerung einer Mischanlage eine immer wichtigere Rolle.

Wenn ein Kohlkugelmischer mit Wasser gefüllt ist und man möchte abhängig vom Füllstand das Volumen des Wassers errechnen, dann gilt folgende Formel angenähert:

𝑉(𝑧)  =  π ⋅ z²⋅ (3 ⋅ r – 𝑧) /3

V: Wasservolumen
z: Füllstand
r: Innenradius der Hohlkugel

Da das Vorhandensein des Mischwerkzeugs ignoriert wird, liefert die Formel nur einen ungefähren Wert. Das tatsächliche Wasservolumen ist etwas geringer.

Reinigung und Inspektion des Mischwerkzeugs

Einen besonders wichtigen Aspekt stellt die Reinigung des dynamisch bewegten Mischwerkzeugs dar. Dieser Teil des Kugelmischers ist wesentlich komplexer als der Mischraum. Insofern gelten hier besondere Anforderungen. Seine Formgebung muss die strömungstechnischen Anforderungen eines Mischflügels erfüllen. Darüber hinaus muss er den Hygieneanforderungen der EHEDG entsprechen.

Das Mischwerkzeug muss eine einfache Geometrie aufweisen.

• Das Mischwerkzeug muss die Verströmung der Mischgüter begünstigen und Verdichtungseffekte vermeiden.
• Dies muss gleichermaßen für feindisperse Pulver sowie für flockenartige oder agglomerierte Schüttgüter gelten.
• Das gilt ebenso für trockene, fluidisierbare Güter wie für feuchte, schwer fließende Pulver.
• Das Mischwerkzeug muss eine möglichst kleine Oberfläche aufweisen.
• Es muss so konstruiert sein, dass alle Bereiche leicht und ergonomisch zugänglich sind.

Für jede Kategorie Mischaufgabe kann die optimale Mischerbauart gefunden werden. Dazu empfiehlt sich ein Besuch bei amixon®, wo Sie die vorhandenen Versuchsmischer (zylindrisch, kugelförmig, konisch, zykloidisch) ausprobieren können.

• amixon® bietet Ihnen erstklassige Möglichkeiten zum Mischen, Befeuchten, Trocknen und Austragen Ihrer unterschiedlichsten Mischgüter.
• amixon® empfiehlt, neben den Mischversuchen auch die Reinigung des Mischers nach dem Versuch vorzuführen.

Je nach Art der Mischgüter und Branche müssen angepasste Reinigungsregime zum Einsatz kommen. Dies betrifft:

1. die Trockenreinigung
2. die Reinigung mit feuchten Tüchern
3. die manuelle Feuchtreinigung
4. die manuelle Nassreinigung
5. die automatische Nassreinigung.

Die Reinigungsarten (2) bis (5) beinhalten auch das wichtige Thema der Restwassertrocknung.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass in einem Mischbetrieb 2 oder 3 Reinigungsregime abwechselnd praktiziert werden. Je nach Verschmutzungsgrad und Kontaminationstoleranz

Abkühlung nach der Nassreinigung mit warmem Wasser

Oft wünschen Kunden aus der Ernährungsindustrie, dass die automatische Nassreinigung nur mit heißem Wasser durchgeführt wird. Sie möchten auf jede Art von Tensid verzichten. Dies ist möglich, wenn die Temperatur des Waschwassers erhöht und der Schwalldruck (Volumenstrom und Druck) angepasst wird. Nach der Reinigung muss der Mischer schnellstmöglich trocknen. Je wärmer das Reinigungswasser aufgeheizt wurde, desto schneller geschieht das.

In der Regel soll anschließend der Mischbetrieb fortgesetzt werden. Dies ist jedoch erst möglich, wenn der Mischer abgekühlt ist. Aufgrund der Kugelbauart dauert die Abkühlung etwas länger als bei anderen Mischerbauformen. Die Wärmeabgabe der Hohlkugel erfolgt durch Wärmestrahlung Q˙. Diese kann man mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ungefähr errechnen.

Q˙ = ε ⋅ σ ⋅ A ⋅ (T_s⁴ − T_u⁴)

Q˙: abgestrahlte Wärmeleistung in Watt [W]
ε:    Emissionsgrad der Oberfläche (dimensionlos, zwischen 0 und 1)
σ:   Stefan-Boltzmann-Konstante = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m² K⁴)
A:   Außenfläche der Kugel in Quadratmetern [m²]
T_s:  absolute Temperatur der Kugeloberfläche in Kelvin [K]
T_u:  absolute Temperatur der Umgebung in Kelvin [K]

Abschätzung der Abkühlungsgeschwindigkeit einer Hohlkugel

Kugeldurchmesser: 1.000 mm
Werkstoff: Edelstahl 1.4404 (austenitisch, V4A), außen und innen blank geschliffen
Wandstärke: 15 mm
Oberflächen-Emissionsgrad: 0,25
Anfangstemperatur: 70 °C
Umgebungstemperatur: 15 °C
Abkühlung auf Zieltemperatur: 25 °C.

Es sind zwei Wärmeübertragungsmechanismen zu betrachten: Wärmestrahlung und Konvektion mit der Luft. Zusammen beträgt deren Gesamtkühlleistung ca. 2 kW. Rein rechnerisch beträgt die Abkühlzeit 4 bis 5 Stunden. Da der relative Temperaturunterschied immer kleiner wird, verläuft die Abkühlkurve asymptotisch. Dieser Sachverhalt lässt sich gut mit der folgenden Exponentialfunktion abbilden:

T(t)  =  T_amb + (T_start − T_amb) ⋅ e^−kt

T: Temperaturverlauf
t: Zeit
T_amb: Umgebungstemperatur
T_start: Anfangstemperatur
k: Abkühlkoeffizient, ungefähr 8,59 × 10⁻⁵ 1/s

Auch das Mischwerkzeug in der Hohlkugel wird durch das Waschwasser erwärmt. Es kann nur dann schnell abkühlen, wenn der Mischraum geöffnet wird. Dabei kann der austretende Schwadendampf die Produktionsumgebung negativ beeinflussen, wenn die Klimatisierung die Luftfeuchtigkeit nicht schnell genug abführt. Insofern kann es sinnvoll sein, den Schwadendampf mit trockener Frischluft gezielt abzuführen.

Flüssigkeitszugabe und -verteilung im Kugelmischer

In der Praxis geht es neben dem Mischen verschiedenster Pulver auch um deren homogene Benetzung. Sogenannte Flüssigkeitszugabe-Lanzen münden in den Wirkungsbereich des schnell rotierenden Zerhackerwerkzeugs. Auf diese Weise wird schnell ein agglomeratfreies, homogenes Endprodukt erreicht.

Zu diesem Thema hat amixon zahlreiche Blogbeiträge veröffentlicht. Dabei geht es um die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und deren rheologische Eigenschaften bei wechselnden Temperaturen und Scherbeaufschlagungen. Darüber hinaus spielt auch die Porosität der Schüttgüter eine wichtige Rolle. Ebenso wichtig sind die Ausprägungen der Phasengrenze zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten mit ihren Erscheinungsformen Hydrophobie und Hydrophilie. 

Anmerkung zur Bezeichnung „Kugelmischer”.

Eigentlich wäre die Bezeichnung „Hohlkugelmischer mit dynamisch bewegten Mischwerkzeugen” zutreffender als „Kugelmischer”.

Die Bezeichnung „Kugelmischer” wird auch im Sanitärbereich verwendet. Dabei handelt es sich um eine modifizierte Wasserhahnarmatur. Eine mehrfach durchbohrte Kugel ist mit einem Hebel verbunden und kann den Zufluss von kaltem und warmem Wasser mischen und regulieren.