Geometrie beim industriellen Mischen

In der industriellen Mischtechnik entscheiden nicht nur Drehzahl, Motorleistung und Mischwerkzeuge über die Qualität eines Mischprozesses. Ein wesentlicher Faktor wird häufig unterschätzt: die Geometrie des Mischraums.

Ob Pulvermischer, Feststoffmischer, Chargenmischer, Granulatmischer oder Industriemischer – die Form des Mischbehälters beeinflusst, wie sich Rohstoffe im Mischraum bewegen, welche Reibungsverhältnisse entstehen und wie schnell eine definierte Mischgüte und Homogenität erreicht werden kann.

Für Unternehmen aus der Verfahrenstechnik, Lebensmittelindustrie, Chemieindustrie, Pharmaindustrie, Baustoffindustrie und anderen Prozessindustrien stellt sich deshalb eine grundlegende Frage:

Wie muss ein industrieller Mischer konstruiert sein, damit das Produkt möglichst effizient, homogen und zugleich schonend gemischt wird?

Der GloMix Glaxiaris® Mischer verfolgt hierfür einen geometriebasierten Ansatz. Eine kugelförmige Mischkammer wird mit einer um 23° geneigten Mischachse und koaxial angeordneten Mischwerkzeugen kombiniert. Dadurch entsteht eine dreidimensionale Produktbewegung mit axialen, radialen und tangentialen Bewegungsanteilen.

Die Geometrie wird damit selbst zum verfahrenstechnischen Werkzeug.

Ein effizienter industrieller Mischprozess entsteht nicht allein dadurch, dass sich ein Mischwerkzeug mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Entscheidend ist, wie das gesamte Produktvolumen im Mischbehälter erfasst und umgelagert wird.

Bei der Verarbeitung von Pulvern, Granulaten, Feststoffen, Flüssigkeiten oder pastösen Produkten können verschiedene Mischmechanismen zusammenwirken:

• konvektive Bewegung größerer Produktmengen
• axiale Produktbewegung
• radiale Produktbewegung
• tangentiale Produktbewegung
• Relativbewegung zwischen Partikeln
• Scherung und lokale Umlagerung
• Dispergierung und Deagglomeration
• Verteilung von Flüssigkeiten in Feststoffmischungen

Die Konstruktion eines Industriemischers beeinflusst unmittelbar, wie stark diese Mechanismen ausgeprägt sind.

Entstehen im Mischbehälter Bereiche mit geringer Produktbewegung, müssen Rohstoffe länger bewegt werden, bis die geforderte Homogenität erreicht wird. Das kann die Mischzeit, den Energiebedarf und letztlich die Wirtschaftlichkeit des gesamten Produktionsprozesses beeinflussen.

Für die Auslegung industrieller Mischsysteme lautet die entscheidende Frage daher nicht nur: Wie intensiv arbeitet das Mischwerkzeug? Ebenso wichtig ist: Wie unterstützt die Mischraumgeometrie die Bewegung des Produkts?

Beim Mischen von Pulvern und Feststoffen muss die eingebrachte mechanische Energie unterschiedliche Widerstände überwinden.

Dazu gehören unter anderem:

• innere Reibung des Schüttguts
• Partikel-Partikel-Reibung
• Partikel-Wand-Reibung
• Widerstand am Mischwerkzeug
• Verdichtungseffekte
• produktspezifische Fließeigenschaften

Korngröße, Korngrößenverteilung, Feuchtigkeit, Schüttdichte, Oberflächenrauheit und Fließfähigkeit spielen dabei ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Geometrie eines Industriemischers kann deshalb niemals isoliert betrachtet werden.

Vereinfacht lässt sich der Zusammenhang so darstellen:

Mischraumgeometrie → Produktbewegung → Reibungsverhältnisse → Energieeintrag → Mischzeit → Mischqualität

Das Ziel einer effizienten Mischtechnik besteht darin, die eingebrachte Energie möglichst zielgerichtet für die notwendige Produktbewegung zu nutzen.

Wichtig ist dabei: Eine kleinere Behälteroberfläche bedeutet nicht automatisch einen proportional geringeren Energieverbrauch. Der reale Energiebedarf hängt vom gesamten System aus Produkt, Mischwerkzeug, Füllgrad, Drehzahl, Behältergeometrie und Prozessführung ab.

Ein kugelförmiger Mischbehälter allein garantiert noch keine optimale Mischleistung.

Für die Auslegung eines industriellen Mischers ist das Zusammenspiel verschiedener Komponenten entscheidend:

Mischraum + Mischwerkzeug + Werkzeuggeometrie + Achsanordnung + Drehzahl + Füllgrad + Produkteigenschaften

Der Glaxiaris® kombiniert deshalb die kugelförmige Mischkammer mit einer besonderen Anordnung der Mischachse. Die Achse ist um 23° geneigt.

Diese Konstruktion verbindet Eigenschaften horizontaler und vertikaler Mischsysteme und unterstützt nach Angaben von GloMix eine dreidimensionale Produktbewegung aus axialen, radialen und tangentialen Bewegungsanteilen.

Für einen Pulvermischer oder Feststoffmischer ist dies besonders interessant: Das Material soll nicht lediglich unmittelbar am Mischwerkzeug bewegt werden. Vielmehr müssen möglichst große Bereiche der gesamten Charge regelmäßig ausgetauscht und in den aktiven Mischprozess einbezogen werden.

Die Kombination aus kugelförmigem Mischraum und 23° geneigter Mischachse verändert die räumliche Bewegung des Mischguts.

Das Produkt bewegt sich nicht ausschließlich in einer horizontalen oder vertikalen Ebene. Stattdessen überlagern sich unterschiedliche Bewegungsrichtungen.

GloMix beschreibt die Produktbewegung im Glaxiaris® als Kombination aus:

axialer Bewegung,
radialer Bewegung und
tangentialer Bewegung.

Für die industrielle Verfahrenstechnik ist das zugrunde liegende Prinzip entscheidend: Unterschiedliche Bereiche einer Charge müssen möglichst effizient miteinander ausgetauscht werden, damit lokale Konzentrationsunterschiede reduziert werden. Eine dreidimensionale Produktbewegung kann hierfür günstige Voraussetzungen schaffen.

Damit wird deutlich: Mischbehälter und Mischwerkzeug dürfen bei der Konstruktion eines Hochleistungsmischers für industrielle Anwendungen nicht getrennt betrachtet werden.

Das Mischwerkzeug erzeugt Bewegung. Die Mischraumgeometrie beeinflusst, wie diese Bewegung durch das Produktvolumen geführt wird.

Der Glaxiaris® arbeitet mit zwei koaxial angeordneten Mischwerkzeugen, deren Drehzahlen unabhängig geregelt werden können. Dadurch lassen sich unterschiedliche verfahrenstechnische Aufgaben innerhalb eines Mischbehälters kombinieren.

Beim Makromischen werden größere Produktmengen durch den Mischraum transportiert. Ziel ist der räumliche Austausch unterschiedlicher Bereiche der Charge.

Beim Mikromischen beziehungsweise bei der lokalen Intensivbearbeitung stehen kleinere Produktbereiche im Mittelpunkt. Je nach Anwendung können beispielsweise Agglomerate aufgebrochen oder Flüssigkeiten in einer Feststoffmischung verteilt werden.

Gerade beim industriellen Mischen von Pulvern, Granulaten und Schüttgütern ist dieses Zusammenspiel wichtig. Eine hohe lokale Mischintensität allein genügt nicht, wenn größere Bereiche der Charge nicht ausreichend ausgetauscht werden. Umgekehrt reicht eine großräumige Umlagerung möglicherweise nicht aus, wenn gleichzeitig intensive Dispergier- oder Deagglomerationsprozesse erforderlich sind.

Die Mischzeit gehört zu den wichtigsten Leistungs- und Wirtschaftlichkeitskennzahlen industrieller Mischprozesse.

Entscheidend ist nicht, wie lange der Motor eines Mischers läuft, sondern wie lange der Prozess benötigt, um eine definierte Mischgüte beziehungsweise Homogenität zu erreichen. Damit besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Produktbewegung und Mischzeit.

Werden unterschiedliche Bereiche einer Charge schnell und regelmäßig miteinander ausgetauscht, kann die gewünschte Verteilung prinzipiell mit weniger Umlagerungszyklen erreicht werden.

Werden einzelne Bereiche dagegen nur langsam in die Hauptbewegung integriert, können sie die notwendige Gesamtmischzeit bestimmen. Für einen effizienten Industriemischer ist deshalb nicht die maximal mögliche Produktbewegung das alleinige Ziel.

Entscheidend ist eine wirksame Produktbewegung im gesamten Mischvolumen. Der Glaxiaris® kombiniert dafür kugelförmige Mischraumgeometrie, geneigte Mischachse und koaxiale Mischwerkzeuge. GloMix gibt für das Mischsystem kurze Mischzeiten und eine Homogenität von über 99 Prozent an. Die tatsächlich erreichbare Mischqualität und Mischzeit hängen jedoch immer von Produkt, Rezeptur, Füllgrad und Prozessparametern ab.

Ein leistungsfähiger Industriemischer muss nicht zwangsläufig mit maximaler Drehzahl oder maximaler Scherwirkung arbeiten. Bei zahlreichen Produkten ist vielmehr ein schonender Mischprozess gefragt.

Das betrifft beispielsweise:

• empfindliche Pulver und Granulate
• Kräuter und Blattprodukte
• strukturierte Lebensmittel
• beschichtete Partikel
• temperaturempfindliche Rohstoffe
• Mischungen unterschiedlicher Partikelgrößen
• Produkte mit bruchempfindlichen Bestandteilen

Eine zu hohe mechanische Belastung kann Abrieb, Partikelbruch, Wärmeentwicklung oder Veränderungen der Produktstruktur verursachen. Eine optimierte Mischraum- und Werkzeuggeometrie verfolgt deshalb ein anderes Ziel:

Die notwendige Homogenität mit möglichst zielgerichtetem Energieeintrag erreichen.

Wenn Mischbehälter und Mischwerkzeuge die Umlagerung des Produktes konstruktiv unterstützen, muss die Mischwirkung nicht ausschließlich über hohe Werkzeuggeschwindigkeiten oder starke lokale Scherkräfte erzeugt werden.

Die Geometrie eines Mischers wird dadurch auch zu einem Faktor für produktschonendes industrielles Mischen.

Die Wirtschaftlichkeit eines Mischprozesses endet nicht mit dem eigentlichen Mischvorgang. Nach jeder Charge muss das Produkt aus dem Chargenmischer ausgetragen werden. Je nach Branche, Rezeptur und Hygienekonzept folgt anschließend die Reinigung. Auch hier spielt die Mischraumgeometrie eine entscheidende Rolle.

Schlecht zugängliche Bereiche, Kanten und geometrische Übergänge können Restmengen begünstigen.

Eine optimierte Behältergeometrie kann dagegen die Restentleerung eines Mischers unterstützen und Produktverluste reduzieren.

Beim Glaxiaris® unterstützt die geneigte Konstruktion nach Herstellerangaben die schnelle und weitgehend vollständige Entleerung.

Bei Mischern für Lebensmittel, Pharma, Chemie und andere sensible Produktionsbereiche spielt die Reinigbarkeit eine besonders wichtige Rolle.

Die kugelförmige Mischkammer des Glaxiaris® verfügt über eine kontinuierliche Innenkontur. Das System ist laut GloMix sowohl für manuelle Trockenreinigung als auch optional für automatisierte Nassreinigung ausgelegt.

Damit beeinflusst die Mischraumgeometrie den gesamten Chargenprozess:

Befüllen → Mischen → Homogenisieren → Entleeren → Reinigen → nächste Charge

Bei der wirtschaftlichen Bewertung eines industriellen Mischsystems sollte deshalb nicht ausschließlich die Mischzeit betrachtet werden. Entscheidend ist vielmehr die gesamte Prozess- und Zykluszeit.

Für die Auswahl und Auslegung eines Pulvermischers, Feststoffmischers oder Chargenmischers müssen zahlreiche Einflussgrößen gemeinsam betrachtet werden.

Zu den wichtigsten gehören:

Mischraumgeometrie: Wie ist der Mischbehälter aufgebaut?

Mischwerkzeuggeometrie: Wie wird mechanische Energie in das Produkt übertragen?

Produktbewegung: Wie werden Rohstoffe axial, radial und tangential bewegt?

Füllgrad: Welcher Anteil des Mischraums wird tatsächlich genutzt?

Drehzahl: Welche Werkzeuggeschwindigkeit ist für das Produkt erforderlich?

Mischzeit: Wie schnell wird die geforderte Mischgüte erreicht?

Homogenität: Wie gleichmäßig sind die Komponenten nach dem Mischprozess verteilt?

Produkteigenschaften: Welche Schüttdichte, Korngröße, Feuchtigkeit und Fließfähigkeit besitzt das Material?

Produktbeanspruchung: Wie empfindlich reagieren Partikel auf Scherung, Reibung und mechanische Belastung?

Entleerung und Reinigung: Wie schnell kann die nächste Charge gestartet werden?

Erst das Zusammenspiel dieser Faktoren entscheidet über die Leistungsfähigkeit einer industriellen Mischanlage.

Der GloMix Glaxiaris® ist ein Beispiel dafür, wie geometrische Prinzipien gezielt in die Konstruktion eines industriellen Mischsystems integriert werden können.

Das Konzept verbindet mehrere Elemente:

Kugelförmige Mischkammer
Die Kugel bietet ein günstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen sowie eine kontinuierliche Innenkontur.

23° geneigte Mischachse
Die besondere Achsgeometrie verbindet Eigenschaften horizontaler und vertikaler Mischsysteme.

Koaxiale Mischwerkzeuge
Zwei unabhängig regelbare Werkzeuge ermöglichen unterschiedliche Misch- und Bearbeitungsaufgaben.

Axiale, radiale und tangentiale Bewegungsanteile unterstützen den Austausch unterschiedlicher Produktbereiche.

Damit basiert das Konzept nicht allein auf hoher Motorleistung oder hoher Werkzeuggeschwindigkeit. Die Geometrie selbst wird zum Bestandteil der Mischtechnologie.

Ob Pulvermischer, Feststoffmischer, Granulatmischer, Chargenmischer oder universeller Industriemischer: Die Mischraumgeometrie hat wesentlichen Einfluss darauf, wie sich ein Produkt innerhalb einer Mischanlage bewegt.

Sie beeinflusst Produktbewegung, Wandkontakt, Reibungsverhältnisse, Mischzeit, Mischgüte, Produktbeanspruchung, Entleerbarkeit und Reinigbarkeit.

Die Kugelform ist aus geometrischer Sicht besonders interessant, weil sie ein großes Volumen mit einer minimalen umschließenden Oberfläche verbindet. Für die industrielle Mischtechnik entsteht daraus jedoch erst dann ein Vorteil, wenn Behältergeometrie, Mischwerkzeuge, Achsanordnung und Prozessparameter aufeinander abgestimmt werden.

Der GloMix Glaxiaris® Mischer kombiniert hierfür eine kugelförmige Mischkammer mit einer um 23° geneigten Achse, koaxialen Mischwerkzeugen und einer dreidimensionalen Produktbewegung.

Damit steht hinter der Konstruktion ein grundlegendes Prinzip der modernen Verfahrenstechnik und industriellen Mischtechnik:

Effizientes Mischen beginnt nicht erst am Mischwerkzeug. Es beginnt bei der Geometrie des Mischraums.

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