Vorteilhafte Mischtechnik

Effizienter Einsatz von Mischern in der Schüttgut-Verfahrenstechnik

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06.12.2016 Trocknen, kühlen, heizen, reagieren, granulieren: Moderne Mischer können mittlerweile weitaus mehr, als Pulver oder Granulate zu homogenisieren. Das Mischen ist zwar einer der grundlegenden Prozesse in der Feststoff-Verfahrenstechnik. Im Laufe der Zeit hat sich jedoch der Trend entwickelt, auch angrenzende Verfahren und Prozessschritte wie Trocknen, Coaten, Kristallisieren oder Granulieren im Mischer durchzuführen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Immer mehr Betreiber kombinieren den Mischprozess mit anderen verfahrenstechnischen Prozessen. Moderne Mischer sind auf diesen vielseitigen Einsatz ausgelegt, am effizientesten sind exakt an die jeweiligen Anforderungen angepasste Geräte.
  • Je nach Anwendung empfiehlt sich ein vertikal oder horizontal arbeitender Mischer. Prozessspezifisch ist auch die Entscheidung zwischen chargenweisem oder kontinuierlichem Betrieb.

Ziel ist es dabei, möglichst viele Prozesse in einem Aggregat zu bewerkstelligen, um die Investitions- und Prozesskosten zu minimieren. Als Zeichen dieses Trends haben sich Mischer immer mehr zu Mehrzweck-Prozessmaschinen entwickelt, was ihre Bedeutung als zentrales Element einer Anlage unterstreicht.

Je nach Aufbau des Produktionsprozesses lassen sich Chargenmischer und kontinuierlich arbeitende Mischer unterscheiden. Der überwiegende Teil des Anwendungsspektrums der pulver- und granulatverarbeitenden Industrie fällt dabei unter einen der folgenden drei Mischertypen:

  • vertikale Konusmischer für den Chargenbetrieb
  • horizontale Mischer für den Chargenbetrieb
  • horizontale Mischer für den kontinuierlichen Betrieb

Diese Typen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer optimalen Einsatzmöglichkeiten.

Chargenweise von oben nach unten

Vertikale Chargenmischer wie die Baureihe HVW von AVA sind aus einem konischen Behälter mit einem sich anschließendem kurzen zylindrischem Behälterteil aufgebaut. Nach oben hin ist der Mischer je nach Einsatzfall, mit einem Klöpperboden oder einem flachen Deckel verschlossen. Das Mischwerk besteht aus einer randgängigen konischen Mischwendel, die über Stege mit einer zentrisch angeordneten Welle verschweißt ist. Große Radien an den Schweißnähten und runde Stege ermöglichen einfaches Reinigen des Gerätes. Das Mischwerk ist über dem Deckel fliegend gelagert, da der Hersteller bei diesem System bewusst auf produktberührte Wellenabdichtungen verzichtet hat. Aufgrund der Lagerung und der Dichtung außerhalb des Produkt­raumes sind Kontaminationen des Produkts somit weitgehend ausgeschlossen.

Auf dem Behälterdeckel befinden sich – ebenfalls abhängig vom Einsatzfall – die Aufgabestutzen sowie Stutzen für Reinigungsdüsen, Messgeräte und Brüdenfilter. Über eine große Entleeröffnung im Behälterboden wird das Produkt nach beendetem Misch- oder Trocknungsprozess ausgetragen. Die konische Behälterform bewirkt zuverlässige Restentleerung – ein wesentlicher Aspekt im Bereich des Schüttguthandlings.

Vertikale Chargenmischer finden verbreiteten Einsatz bei wertvollen und empfindlichen Produkten, beispielsweise bei Katalysatormassen oder Metallpulvern, aber auch beim Verarbeiten pharmazeutischer Wirkstoffe. Besonders in der pharmazeutischen Industrie, wo einfaches Reinigen großgeschrieben wird und zudem Produktkontaminationen in diesem gesundheitlich sensiblen Bereich zu vermeiden sind, ist ein vertikaler Mischer vorteilhaft.

Die verarbeiteten Produkte sind oft gegenüber mechanischen Beanspruchungen und Wärme empfindlich. Die konische Mischwendel verteilt die mechanische Beanspruchung gleichmäßig im Produkt. So ist ein effizienter Betrieb des Mischers mit möglichst hohem Energieeintrag möglich, ohne schädliche Spannungsspitzen entstehen zu lassen. Dank der großen Heizfläche über einen beheizten Doppelmantel sowie optional die beheizbare Welle und Wendel ergibt sich ein optimaler Wärmeübergang, bei dem sich das Produkt schnell und gleichmäßig erwärmt.
Am Ende des Prozesses wird das Produkt im Konusauslauf über ein Kugelsegmentventil entleert. Um beispielsweise Kreuzkontaminationen auszuschließen, erfassen CIP-Reinigungsdüsen bei geschlossener Maschine zuverlässig den gesamten Innenraum und das Filtergehäuse. GMP-Ausführungen und der Einsatz FDA-konformer, pharmagerechter Werkstoffe und Dichtungen bewirken maximale Produktionssicherheit.

Querläufer im Chargen- und Kontibetrieb

Die horizontalen Mischer der AVA-Baureihen HTC und HTK bestehen aus einem liegenden zylindrischen Behälter, der beidseitig mit ebenen Platten, den so genannten Kopfstücken, verschlossen ist. In dem Mischbehälter befindet sich ein horizontal angeordnetes, meist beidseitig gelagertes rotierendes Mischwerk, bestehend aus einer Reihe wandnaher Mischelemente, die über Arme mit einer Welle verbunden sind. Für spezielle Anwendungsfälle sind die horizontalen Mischer auch mit einseitigem Lager realisierbar. Die seitlich angeordneten Kopfstücke bilden nicht nur den Abschluss des Produktraumes zur Umgebung, sondern stützen zugleich den Mischbehälter und nehmen die Wellenabdichtung und Wellenlagerung auf.

In die Behältertrommel integrierte Inspektionsklappen ermöglichen einfachen Zugang zu Reinigungs-, Inspektions- und Wartungszwecken. Der Antrieb des Mischwerkes erfolgt über einen Getriebemotor, der zumeist über eine Wellenausgleichskupplung getrennt auf einer separaten Konsole angeordnet ist. Nur bei kleineren Apparaten ist der Antrieb direkt auf der Welle gelagert.
Die Horizontalmischer lassen sich sehr flexibel auf jede Aufgabe auslegen. Sie sind insbesondere mit beidseitiger Lagerung sehr robust und durch ihr unkompliziertes Design vergleichsweise günstig herzustellen. Die Typenreihen HTC und HTK zeichnen sich durch kurze Misch- bzw. Verweilzeiten bei hoher Mischgüte und wirtschaftlichem Energieeintrag aus. Möglich ist dies zum einen durch die besondere Anordnung der Mischelemente, die für einen Zwangstransport des Mischgutes sorgen, und zum anderen durch die spezielle Form der Beschaufelung mit einer größeren aktiven Werkzeugoberfläche. Die Mischer beider Baureihen arbeiten vornehmlich im turbulenten Bereich.

Horizontale Chargenmischer

Horizontale Chargenmischer dienen oft als „Arbeitstier“. Diese Mischer können auf eine extrem hohe Energieintensität ausgelegt werden. Das Mischwerkzeug kann sehr gut gegen Verschleiß geschützt werden, z. B. mit spezialbeschichteten Schaufeln. Je nach Aufgabenstellung sind HTC-Mischer in Baugrößen von 100 l bis über 50 m³ umsetzbar.

Kleinere Mischer werden beispielsweise oft in der Pigmentherstellung eingesetzt, wo flexible Farb- und Rezepturwechsel und einfaches Reinigen notwendig sind. Die großen Mischer eignen sich für die Produktion einer Reihe von Commodity-Produkten, z. B. Zementmischungen, Trockenmörtel und Metallerzen. Darüber hinaus ist fast jede individuelle Anwendung in den horizontalen Mischern möglich, etwa die Produktion von Methylcellulose. Dabei dient der Mischer auch als Reaktor und ist Drücken bis 21 bar und korrosiver Reaktionsmasse ausgesetzt.

Horizontale Kontimischer

In der Ausführung als kontinuierlicher Apparat, Baureihe HTK, wird das Produkt im ersten Trommeldrittel über Stutzen zugegeben und abtriebseitig ausgetragen. Dies kann alternativ über einen Produktaustrag im Trommelboden oder stirnseitig über speziell höhenverstellbare Wehrkonstruktionen erfolgen. Das Misch- oder Trocknungsergebnis lässt sich so, in Kombination mit der Mischwerksausführung, über die mittlere Verweilzeit im Produktraum direkt einstellen. In den meist kontinuierlichen Produktionsprozessen von Industriegütern lassen sich Kontimischer oftmals sehr effizient einsetzen. Eine optimal ausgelegte Kontimaschine ersetzt in diesen Prozessen meist zwei bis drei Chargenmischer vergleichbarer Größe, was sowohl im Platzbedarf wie im Investitionsvolumen erhebliche Unterschiede bedeutet.

Bei der Herstellung modifizierter Stärke werden beispielsweise traditionell vertikale Chargenmischer als Reaktoren eingesetzt. Bei einem erwünschten Durchsatz von 2 t/h und einer Verweilzeit von 2 h im Reaktor, sind rein rechnerisch mindestens zwei Reaktoren im Bereich von 10 m³ nötig, um sinnvoll in den kontinuierlichen Prozess integriert werden zu können. Oftmals erfordert die räumliche Situation, etwa aufgrund der Bauhöhe, bei diesem Beispiel sogar den Einsatz von drei Reaktoren kleineren Ausmaßes. Reaktionszeit und -kondition lassen sich hier in einem Kontireaktor in gleichem Maße umsetzen, was das Investitionsbudget des Betreibers in erheblichem Maße entlastet.

Weitere Anwendungsbeispiele horizontaler Kontimischer sind vielseitig: So ist das Mischen von Superabsorbern mit Additiven ebenso möglich wie das Trocknen von Lebensmitteln oder das Vermengen von Sondermüll unterschiedlicher Natur, um den Brennwert des Stoffs zu homogenisieren und so Temperaturspitzen im Drehofen zu vermeiden.
Fazit: Durch ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten bilden Mischer und ihre Varianten das Herzstück vieler Schüttgut-Aufbereitungsanlagen aller Industriebereiche. Dabei sind die Maschinen exakt den jeweiligen Anforderungen und Rohstoffeigenschaften anzupassen. In Versuchen im AVA-Technikum lässt sich jede individuelle Anwendung auf horizontalen wie vertikalen Systemen testen, um mithilfe unternehmensinterner Wissensdatenbanken die für den Anwender bestmögliche Konfiguration zu entwickeln.

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Heftausgabe: Dezember 2016

Über den Autor

Dr.-Ing. Hongben Zhou, Sales Manager, AVA-Huep
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