Kontinuierliche Trockenmischung
Kontinuierliches Pulvermischen / Kontinuierliches Pulverblenden
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| 1. Einführung |
| 2. Prinzip der kontinuierlichen Trockenmischung |
| 3. Mischer für kontinuierliche Trockenmischung |
| 4. Dosierung in der kontinuierlichen Trockenmischung |
| 5. Steuerung kontinuierlicher Trockenmischsysteme |
| 6. Anwendungen der kontinuierlichen Trockenmischung |
1. Einführung
Bei der Trockenmischung denkt man zunächst an Batch-Prozesse bei denen die Mischung oft mit einfachen Konfigurationen durchgeführt wird. Es ist jedoch auch möglich, einen kontinuierlichen Mischprozess zu konzipieren.Ein solcher Prozess unterscheidet sich in vielen Aspekten von seinem Batch-Pendant und erfordert ein sehr sorgfältiges Design, kann jedoch entscheidende Vorteile in Bezug auf Kompaktheit, Stabilität und Kapazität bieten.
2. Prinzip der kontinuierlichen Mischung
Was ist kontinuierliches Pulvermischen?
Bei der kontinuierlichen Trockenmischung müssen die verschiedenen Feststoffkomponenten der Mischung kontinuierlich dem Mischer zugeführt werden, und eine gleich große Menge der Mischung muss kontinuierlich auf der anderen Seite entnommen werden.
Abbildung 1: Blockdiagramm eines kontinuierlichen Trockenmischprozesses
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So viele Komponenten wie nötig können dem Mischer über Verlust-in-Gewicht-Dosierer zugeführt werden, bis die räumlichen Gegebenheiten der Anlage erschöpft sind. Der Mischer arbeitet nach dem Pfropfenstromprinzip, sollte jedoch einen gewissen Grad an Rückvermischung zulassen, um Dosierungenauigkeiten der Verlust-in-Gewicht-Dosierer (LIWF)auszugleichen. Tatsächlich müssen zwei Mischungseffekte kombiniert werden, um einen ausreichenden Homogenitätsgrad zu erreichen: radiale und axiale Mischung.
- Radiale Mischung: die Mischung erfolgt radial; man kann sich vorstellen, dass der Mischer in kleine Zellen unterteilt ist, innerhalb derer die Mischung stattfindet. Das Produkt wird von einer Zelle zur nächsten bewegt, bis es das Ende des Mischers erreicht.
- Axiale Mischung: ein perfekter Pfropfenstrom innerhalb des kontinuierlichen Mischers mit nur radialer Mischung ist nicht ratsam. Im Gegensatz zu einem Batch-Mischer ist eine wichtige Fehlerquelle die leichte Durchflussvariation der Verlust-in-Gewicht-Dosierer. Es kann vorkommen, dass ein Dosierer vorübergehend mehr oder weniger Material im Vergleich zum Sollwert fördert. Wenn nur radiale Mischung stattfindet, können einige Mischzellen deutlich weniger oder mehr von einer bestimmten Komponente enthalten, was zu einer sehr hohen Variationskoeffizienten (CV) führt. Ein gewisser Grad an axialer Mischung oder Rückvermischung ermöglicht den Transfer eines Teils der Mischung von einer Zelle zur anderen und gleicht die durch die Dosierung bedingten Schwankungen aus, was zu einem höheren Mischungsgradführt.
3. Mischer für kontinuierliche Mischung
Welche Mischer können für kontinuierliche Mischung eingesetzt werden?
Folgende Konstruktionen finden in der Industrie für kontinuierliche Mischung Anwendung:| Mischertyp |
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| Bandmischer (dies sind meist ältere Konstruktionen, die heute seltener eingesetzt werden) | Diese Mischer arbeiten bei Fr < 1. Das Banddesign ermöglicht die Bewegung des Materials in verschiedene Richtungen, um einen Mischungseffekt zu erzielen. Einige Hersteller schlagen vor, ein Mischwerkzeug mit zwei Helices zu verwenden, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, um eine bessere Mischung zu erreichen. |
| Einwellen-Paddelmischer | Arbeiten mit höherer Froude-Zahl und ermöglichen kürzere Mischzeiten als Bandmischer. Im Mischer wird eine Fluidisierung erreicht. Der Füllstand im Mischer lässt sich leicht über eine Überlaufplatte am Ende des Mischers einstellen. |
| Zweiwellen-Paddelmischer | Arbeiten bei Fr = 1,1 mit einer fluidisierten Zone zwischen den beiden Mischwellen. Die Konstruktion ähnelt Batch-Paddelmischern, sie sind jedoch mit einer Platte am Ende des Mischbereichs ausgestattet, die es ermöglicht, den Produktstand im Mischer und damit die Verweilzeit zu definieren. |
| Pflugscharmischer | Die Konstruktion ähnelt Batch-Mischern, verfügt jedoch über einen speziellen Auslass zur kontinuierlichen Produktentnahme. |
Hinweis: Die oben genannten Links führen zu Seiten, die sich auf die Batch-Versionen der Mischer beziehen, obwohl das Design und das Mischprinzip den kontinuierlichen Versionen sehr ähnlich sind.
3.1 Verweilzeit
Die Verweilzeit bei kontinuierlicher Mischung ist in der Regel sehr kurz, bedingt durch die Größe der Maschine und die vom Mischer verwendeten Mischprinzipien. Typische Verweilzeiten liegen in der Größenordnung von 10 s bis 1 min und variieren je nach Mischtechnologie und Art der Mischung.3.2 Kapazität
Das Haltevolumen kontinuierlicher Mischer ist im Vergleich zu den äquivalenten Batch-Mischern, die für dieselbe Kapazität in t/h erforderlich sind, in der Regel sehr gering. Die Auslegungs-Kapazität kann von wenigen Litern pro Stunde in der Pharmazie (10 l/h) bis zu mehreren Hunderttausend Litern pro Stunde in der Chemie- oder Lebensmittelindustrie (800.000 l/h) reichen.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass kontinuierliche Systeme, sobald sie ausgelegt und installiert sind, nicht sehr flexibel sind und nahe an ihrem Auslegungsdurchsatz betrieben werden sollten.
3.3 Einstellungen
Kontinuierliche Trockenmischanlagen können hauptsächlich über zwei Prozesshebel betrieben werden: die Mischergeschwindigkeit und die Verweilzeit.
| Hebel | Wirkung |
| Mischgeschwindigkeit | Die Rührergeschwindigkeit definiert die Mischintensität und wirkt sich auf die Homogenität aus, kann aber auch das Produkt (Bruch) beeinflussen. |
| Verweilzeit | Die Verweilzeit wird in den meisten Mischern durch eine Platte am Ende des Mischers eingestellt, die den Produktstand im Mischer und damit die Verweilzeit in Abhängigkeit von der Zufuhrrate definiert. Eine kurze Verweilzeit lässt weniger Zeit für die Mischung und führt zu einem höheren Variationskoeffizienten (CV). Die Optimierung der Verweilzeit ermöglicht die höchste Kapazität bei bester Mischungseffizienz und geringstem Produkteinfluss. |
- Abbildung 2: Kontinuierlicher Mischer für Trockenpulver und Einstellung der Verweilzeit
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4. Dosierung in der kontinuierlichen Trockenmischung
Wie dosiert man Pulver kontinuierlich?
Kontinuierliche Verlustwaagen-Dosierer müssen für die Dosierung des Pulvers in eine kontinuierliche Trockenmischung eingesetzt werden. Die Konstruktion und Installation dieser Dosierer ist von entscheidender Bedeutung für die Stabilität des Prozesses und die Qualität der erhaltenen Mischung. Tatsächlich dürfen die Wägezellen der Dosierer nicht durch umgebende Anlagenkomponenten beeinträchtigt werden, der Durchfluss innerhalb des Dosierers muss gleichmäßig sein, und die Nachfüllung muss schnell erfolgen, um die Zeit zu minimieren, in der das System im volumetrischen Modus arbeitet.
4.1 Verlustwaagen-Dosierer (LIWF) Installation
Verlustwaagen-Dosierer müssen auf einer stabilen Struktur installiert werden, z. B. einer Betonplatte oder einer robusten Stahlkonstruktion, die keine Schwingungen überträgt, die an anderer Stelle in der Anlage entstehen könnten. Vor und nach dem Dosierer sollten spezielle flexible Verbindungen verwendet werden, um eine freie Bewegung des Dosierers zu ermöglichen und so eine präzise Gewichtsermittlung durch die Wägezellen zu gewährleisten. Alle mit dem Dosierer verbundenen Kabel müssen so verlegt werden, dass sie ausreichend locker sind und keine Zug- oder Druckkräfte auf den Dosierer ausüben.
Wenn mehrere Dosierer eingesetzt werden müssen, kann ein Trichter oberhalb des Mischers installiert werden, um das Pulver aus den verschiedenen Dosierern aufzufangen und es zum Einlass des Mischers zu leiten. Bei nur 2–4 Dosierern können diese direkt über separate Einlassöffnungen am Anfang des Mischers beschickt werden.
Abbildung 3: Typische Dosiereranordnung für eine kontinuierliche Trockenmischung – Draufsicht
Der Mischer muss sehr gut entlüftet sein, um einen Gegendruck auf den Dosierer zu vermeiden. Auch wenn mechanische oder elektronische Druckausgleicher existieren, ist es immer vorzuziehen, Druckeffekte im System zu vermeiden.
4.2 Nachfüllung von Verlustwaagen-Dosierern (LIWF)
Ein System zum Nachfüllen des Dosierers muss entworfen und installiert werden. Da die Dosierer ihre Geschwindigkeit durch die Gewichtsabnahme über die Zeit regeln, ist diese Regelung während des Nachfüllvorgangs nicht mehr möglich, da das Gewicht durch die Pulverzugabe zunimmt. Der Dosierer schaltet dann auf volumetrische Dosierung mit fester Geschwindigkeit um, die deutlich ungenauer ist als die gravimetrische Dosierung. Um eine gute durchschnittliche Genauigkeit über die Zeit zu gewährleisten, ist es entscheidend, dass die Nachfüllung sehr schnell erfolgt. In den meisten Fällen sollten 30 Sekunden für eine Nachfüllung nicht überschritten werden, und die Nachfüllvorgänge sollten nicht so häufig sein, dass der Dosierer 85–90 % der Zeit im gravimetrischen Modus arbeiten kann.
Um eine so schnelle Nachfüllung zu ermöglichen, muss über dem Dosierer ein Bunker mit einem kurzen Fallrohr positioniert werden, in den meisten Fällen nur mit einer Klappenarmatur, um die Entleerung zu starten und zu stoppen. Der Bunker muss so ausgelegt sein, dass ein sehr guter Durchfluss gewährleistet ist, damit es keine Wartezeit zwischen der Nachfüllanforderung und dem tatsächlichen Produktfluss gibt. Falls eine brücken- oder ratternfreie Konstruktion nicht möglich ist, müssen Austragshilfen installiert werden.
Die Entlüftung des Dosierers ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Nachfüllung schnell erfolgt und sich kein Druck aufbaut, der nach dem Zurückschalten in den gravimetrischen Modus abgebaut werden müsste, was die Wägezellen stören und Ungenauigkeiten im Durchfluss verursachen würde.
4.3 Regelung von Verlustwaagen-Dosierern (LIWF)
Verlustwaagen-Dosierer regeln die Geschwindigkeit der Dosiervorrichtung (häufig eine Schnecke) durch Messung der Gewichtsabnahme über die Zeit und Vergleich mit dem Sollwert. Hersteller haben Algorithmen entwickelt, um mögliche Störungen der Wägezellen, die in einer industriellen Umgebung typischerweise auftreten, zu filtern. Diese Filter sind jedoch nur bei kleinen Störungen wirksam, weshalb die Einhaltung bewährter Installationspraktiken für Dosierer weiterhin wichtig ist. Bei Erkennung einer großen Abweichung schaltet der Dosierer in den volumetrischen Modus um, um eine angemessene Dosiergenauigkeit aufrechtzuerhalten. Die Störung muss jedoch sehr kurz sein, damit diese Methode wirksam ist.
5. Steuerung des kontinuierlichen Trockenmischprozesses
Wie lässt sich ein Trockenmischprozess steuern?
Im Gegensatz zu einem Batch-Prozess durchläuft ein kontinuierlicher Mischer bei der Inbetriebnahme oder bei Änderungen von Prozessparametern transiente Zustände. Das Steuerungssystem muss diese Übergangsphasen bewältigen können und ggf. die Mischung zu Beginn, wenn sie noch nicht optimal ist, zur Nachbearbeitung umleiten.
Es ist entscheidend, die Verlustwaagen-Dosierer zu überwachen und akzeptable Grenzen für ihre Durchflussvariationen festzulegen. Falls einer der Dosierer seinen Sollwert für eine bestimmte Zeit nicht halten kann, sollte das System einen Alarm auslösen und ggf. die Trockenmischstrecke anhalten. Diese akzeptablen Grenzen sollten auf Basis der erforderlichen Zusammensetzung der Mischung oder durch Erfahrungswerte definiert werden.
Analogie zum Extruder
Hinweis: Der Prozess der kontinuierlichen Trockenmischung ist in gewisser Weise sehr ähnlich zur Verwendung von Extrudern : Es ist notwendig, die Materialströme zum Extruder zu dosieren und zu regeln; der Extruder mischt die Komponenten und weist je nach Wellenprofil mehr oder weniger Rückvermischung auf, und das Produkt wird kontinuierlich am Ende des Extruders ausgetragen.
6. Anwendungen der kontinuierlichen Trockenmischung
Die kontinuierliche Trockenmischung von Pulvern findet in einer Vielzahl von Branchen Anwendung. Kontinuierliches Mischen hat in den letzten Jahren in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie an Bedeutung gewonnen. In der Lebensmittelindustrie wird kontinuierliches Mischen für die Herstellung von Snacks, Backwaren und Pulvergetränkemischungen eingesetzt. In der Pharmaindustrie kann kontinuierliches Mischen zur Herstellung von Medikamenten sowie zur Vermischung von Wirkstoffen mit Hilfsstoffen genutzt werden. Kleine kontinuierliche Mischanlagen für Pharmazeutika bieten Vorteile bei der Chargenvalidierung, die in der Pharmazie streng kontrolliert wird. Weitere Branchen, die auf kontinuierliche Trockenmischung angewiesen sind, umfassen die chemische Industrie, Keramik und Baustoffe.