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Industrielle Mischgeräte für Pulver (Charge, konvektiv)

Übersicht über gängige Konstruktionen

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Abschnittszusammenfassung
1. Einführung: Mischgeräte für die Pulvermischung
2. Mischprinzip von Feststoffen und Pulvermischern
3. Feststoffmischer-Konstruktion – Mischwerkzeuge
4. Feststoffmischer-Konstruktion – Pulvereinlass
5. Feststoffmischer-Konstruktion – Pulverauslass
6. Dimensionierung von Feststoffmischern

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1. Einführung: Mischgeräte für die Pulvermischung

Es gibt verschiedene Mischerkonstruktionen, die für die Trockenmischung von Feststoffen eingesetzt werden können, um eine homogene Mischung zu erzeugen. Diese Konstruktionen basieren primär auf dem Mischprinzip. Die Mischung kann dabei durch Diffusion, Konvektion oder Scherung erfolgen.

Konvektive Mischer werden industriell sehr häufig eingesetzt, da sie im Vergleich zu einfacheren, aber weniger effizienten diffusiven Mischern in der Regel kürzere Mischzeiten ermöglichen. Der Fokus dieser Seite liegt daher auf konvektiven Mischern.

In diesem Beitrag wird nur der Fall von Chargenmischern behandelt. Solche Mischer sind in verschiedenen Industrien verbreitet und können alle Arten von trockenen Produkten verarbeiten:

• Landwirtschaft / Tiernahrung: Viehfutter, Nährstoffe, Getreide (Bandmischer, Paddelmischer)
• Lebensmittelverarbeitung / Backwaren: Mehl- / Zutatenmischung (Bandmischer, Paddelmischer, Pflugscharmischer)
• Milchindustrie und Säuglingsernährung: Mischung von Basispulver mit Nebenbestandteilen (Paddelmischer, auch Behältermischer)
• Pharmazeutika (Paddelmischer , auch Trommelmischer)
• Bauindustrie: Zement (Bandmischer, Paddelmischer, Bandmischer)
• Kunststoffe: Polymerpellets (Trommelmischer)
• Farben: Pigmentmischung (Bandmischer, Paddelmischer, Trommelmischer)

2. Mischprinzip von Feststoffen und Pulvermischern

Konvektive Mischer sind mit einem Mischwerkzeug ausgestattet, das das Pulver im Wesentlichen aufwirbelt und dessen Bewegung erzwingt.

Solche Feststoffmischer können in verschiedenen Betriebsarten arbeiten, die durch eine dimensionslose Kennzahl, die Froude-Zahl, charakterisiert werden. Diese vergleicht die durch den Rührer erzeugten Kräfte mit der Schwerkraft. Wenn die Froude-Zahl kleiner als 1 ist, wird die Partikelschicht bei relativ hoher Dichte aufgewirbelt. Bei Werten über 1 wird die Partikelschicht (Wirbelschicht) fluidisiert, wobei die Fluidisierung mit steigender Froude-Zahlzunimmt.

Tabelle 1: Unterschiedliche Typen von konvektiven Pulvermischern

Mischergruppe	Froude-Zahl
Bandmischer	Fr < 1
Schneckenmischer (Typ Nauta)	Fr < 1
Vertikalmischer (Typ Amixon)	Fr < 1
Doppelschaft-Paddelmischer	Fr = 1 bis 1,1
Pneumatisch erzeugte Wirbelschichten	Fr > 1
Pflugscharmischer	Fr = 3 bis 9

3. Feststoffmischer-Auslegung – Mischwerkzeuge

Die Auslegung des Mischwerkzeugs ist bei konvektiven Mischern besonders wichtig, da es die Antriebskraft für die Bewegung der Partikel liefert, was letztlich zur gewünschten Homogenitätführt.

Die Art und Weise, wie der Rührer konstruiert ist, und damit verbunden die Geschwindigkeit, mit der er betrieben wird, beeinflussen die Mischzeit, die endgültige Homogenität sowie mögliche Schäden am Produkt während des Mischvorgangs.

Übliche Auslegungen, Auswirkungen auf das Produkt sowie Konstruktionsüberlegungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle 2: Auslegung von Mischwerkzeugen

Mischertyp	Bandmischer
Mischwerkzeug-Auslegung	Band (Draufsicht-Darstellung unten)
Produktauswirkung	Das Band schiebt das Produkt, daher können lange Mischzeiten erhebliche Auswirkungen auf die Partikel haben. Der Einfluss ist stärker, wenn der Mischer überfüllt wurde: Das Produkt kann sich nicht frei bewegen, und das Band verursacht durch die verlängerte Mischzeit starke Abrasion.

Mischertyp	Schneckenmischer / Vertikalmischer (Typ Nauta)
Mischwerkzeug-Auslegung	Schnecke (Seitenansicht)
Produktauswirkung	Sehr schonend. Die Schnecke rotiert langsam um den Mischer.

Mischertyp	Vertikalmischer (Typ Amixon)
Mischwerkzeug-Auslegung	Rührwerk
Produktauswirkung	Dieser Mischertyp eignet sich besser für schwer fließende Schüttgüter im Vergleich zu Freifallmischern oder anderen Schubmischern wie Bandmischern oder zentralen Schneckenmischern.

Mischertyp	Doppelschaft-Paddelmischer
Mischwerkzeug-Auslegung	2 Wellen mit Paddeln, wobei die Paddel einer Welle einen 45-Grad-Winkel mit dem entsprechenden Paddel der anderen Welle bilden
Produktauswirkung	Sehr schonend, wenn der Mischer im richtigen Füll- und Geschwindigkeitsbereich betrieben wird. Die Paddel befördern das Pulver in eine fluidisierte Zone in der Mitte des Mischers, wo die Vermischung stattfindet.
Konstruktionsüberlegungen	Der Abstand zwischen Paddel und Mischgehäuse sollte immer größer als 4–5 mm sein, um leichte Fehlausrichtungen des Mischwerkzeugs durch mechanische Belastung auszugleichen, ohne dass das Paddel die Wand berührt. Klassische Ausführungen haben 2 Lager pro Welle, während modernere Konstruktionen Kragwellen verwenden. Diese Ausführung ermöglicht – falls vom Prozess erforderlich (z. B. Reinigung) – demontierbare Wellen.

Mischertyp	Pneumatisch erzeugte Wirbelschichten
Mischwerkzeug-Auslegung	Solche Mischer haben den Vorteil, keine beweglichen Teile zu besitzen, sind daher einfach herzustellen und bieten bessere Reinigungsmöglichkeiten (kein komplexes Rührwerk zur Reinigung).
Produktauswirkung	Schonende Vermischung
Konstruktionsüberlegungen	Obwohl die mechanische Ausführung des Mischbehälters einfacher ist, erfordern diese Mischer viele Ventile und Düsen, um die Druckluft im Mischer zu steuern, zu kanalisieren und einzuspritzen. Während des Mischvorgangs wird Druckluft verbraucht, daher sollten wirtschaftliche Berechnungen durchgeführt werden, um die langfristige Rentabilität des Mischers sicherzustellen. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Risiko der Entmischung durch "Schweben" von Feinanteilen an der Oberseite des Mischers geschenkt werden.

Mischertyp	Pflugscharmischer
Mischwerkzeug-Auslegung	Einzelwellen mit profilierten Paddeln (Pflugschar) + zusätzliche Zerhacker bei Bedarf
Produktauswirkung	Sehr starke Abrasion, die eine Desagglomeration des Pulvers ermöglicht
Konstruktionsüberlegungen	Es ist möglich, zusätzliche kleine, mit sehr hoher Geschwindigkeit rotierende Rührwerke (Zerhacker) hinuzzufügen, um Klumpen zu zerkleinern, die während des Mischvorgangs entstehen können (insbesondere bei Zugabe von Flüssigkeiten oder wenn Fette am Mischprozess beteiligt sind).

4. Feststoffmischer-Auslegung – Pulvereinlass

Das Pulver wird von oben in den Mischer eingeführt. Es kann einen Einlass geben, wenn die Bestandteile in einem gemeinsamen Trichter vorgewogen oder manuell in den Mischer gegeben werden, oder mehrere, wenn der vorgelagerte Prozess das individuelle Dosieren der Bestandteile in den Mischer ermöglicht.

Bei der Auslegung müssen folgende Anforderungen berücksichtigt werden: Der Einlass muss groß genug sein, um ein schnelles Befüllen des Mischers zu ermöglichen (Zeitersparnis im Zyklus), jeder Einlass muss durch ein Ventil verschlossen werden, um unkontrollierten Materialeintritt zu vermeiden, und der Einlass für die Nebenbestandteile sollte in der Mitte des Mischers (oder im Fluidisierungsbereich, falls vorhanden) positioniert sein.

Die genaue Position des Einlasses sollte bereits zu Projektbeginn festgelegt werden, da viele Mischer verschweißte Oberteile besitzen, die für die Konstruktion und Fertigung korrekte Öffnungsvorgaben erfordern. Es kann sinnvoll sein, 1 oder 2 Reserve-Einlässe für zukünftige Prozessanpassungen vorzusehen.

Oben am Mischer sollte sich außerdem ein Filterbefinden, notwendig zum Ablassen von Luft beim Befüllen des Mischers oder zum Einlassen von Luft beim Entleeren.

5. Feststoffmischer-Auslegung – Pulverauslass

Nach Abschluss des Mischvorgangs muss das Gemisch aus dem Mischer ausgetragen werden. Die Entleerung sollte in der Regel schnell erfolgen, um die Zykluszeit des Mischprozesses nicht zu stark zu beeinflussen.

Es gibt verschiedene Konstruktionen. Ein gemeinsamer Aspekt ist, dass das Ventil, das den Mischer verschließt, keine Totzonen im Mischraum zulassen darf, in denen sich Produkt ansammeln und nicht ordnungsgemäß gemischt werden könnte, was zu Qualitätsproblemen bei der weiteren Verwendung oder dem Verkauf des Produkts führen könnte.

Gängige Konstruktionen umfassen Klappenverschlüsse, quadratische Klappen und runde hygienische Ventile.

Klappenverschlüsse (Bomb Doors) sind so genannt, weil sie in der Regel den gesamten Boden des Mischers abdecken. Sobald sie geöffnet werden, fällt das Gemisch sofort heraus, da keine Fläche es mehr im Mischer hält. Klappenverschlüsse ermöglichen daher eine sehr schnelle und vollständige Entleerung; nur wenige hundert Gramm Produkt verbleiben im Mischer. Andererseits erfordern sie große mechanische und pneumatische Systeme für den Betrieb und die Abdichtung während des Mischens. Ein Trichter muss direkt unter dem Mischer angebracht werden.

Quadratische Klappen sind sehr verbreitet. Sie lassen sich einfach konstruieren, implementieren und herstellen. Im Vergleich zu Klappenverschlüssen ist die Austragsfläche deutlich kleiner, sodass die Entleerungszeit länger dauert. Solche Konstruktionen sind möglicherweise nicht sehr hygienisch, abhängig von der Sorgfalt, die der Hersteller bei der Fertigung und Gestaltung der Klappenform walten lässt.

Runde hygienische Konstruktionen werden nur von einigen Herstellern angeboten. Sie bieten das höchste Hygieneniveau, wenn diese Eigenschaft für den Anlagenbetreiber wichtig ist. Andererseits handelt es sich dabei in der Regel um kleine Ventile, die eine lange Entleerungszeit erfordern. Um die Entleerung zu beschleunigen, kann es notwendig sein, 2 Ventile zu installieren. Einige Kilogramm Produkt können nach der Entleerung im Mischer verbleiben.

Zu beachten ist, dass der Mischer während der Entleerung mit niedriger Geschwindigkeit laufen sollte, um das Maximum an Produkt auszutragen und hohe Austragsraten zu gewährleisten.

6. Dimensionierung von Feststoffmischern

Der Mischer sollte der Engpass der Mischanlage sein, d. h., er sollte nicht durch vor- oder nachgelagerte Prozessabschnitte verlangsamt werden. Die Kapazität der Anlage sollte vorgegeben sein, und die Chargengröße ist entsprechend unter Berücksichtigung einer geschätzten Anzahl von Chargen pro Stunde zu wählen.

Chargengröße (kg) = Kapazität (kg/h) / Anzahl Chargen pro Stunde (1/h)

Da der Mischprozess tatsächlich volumetrisch abläuft, muss die Schüttdichte des Gemischs bekannt sein, um den Mischer korrekt zu dimensionieren.

Chargengröße (l) = Chargengröße (kg) / Schüttdichte des Gemischs (kg/l)

Zusätzlich ist zu beachten, dass das System niemals zu 100 % seiner Kapazität gefüllt werden sollte, um Platz für die Partikelbewegung zu lassen.

Gesamtgröße des Mischers (l) = Chargengröße (l) / 0,7

Mischer haben in der Regel einen maximalen Füllgrad zwischen 0,65 und 0,8.

7. Kauf eines Mischers für Pulvermischungen: Hersteller von Mischern

Um Angebote und Preise für Mischer zur Pulver-/Granulatmischung zu erhalten, kann sich der Leser an folgende Unternehmen wenden, die verschiedene Typen von Schüttgutmischern anbieten:

• Lessine: https://www.lessine.com/en/solutions/mixing/paddle-mixer
• Stolz: http://www.stolz.fr/en/equipment/mixing
• Palamatic: https://www.palamaticprocess.fr/machines-industrielles/melangeur-industriel
• Sofraden : https://www.sofraden.com/
• Parimix : http://www.parimix.com/