Mischen von hochviskosen Produkten mit Konus- und Bandschneckenmischern

Dr.-Ing. Dieter Schillingmann, Segler-Förderanlagen Maschinenfabrik GmbH
Dieser Beitrag beruht auf einem Vortrag beim VDI/GVC-Fachausschuss „Mischvorgänge” am 3./4. Mai 1999 in Hameln.

Einleitung

	Die Mehrzahl der industriellen Feststoffmischungen werden chargenweise im Batchbetrieb durchgeführt. Als Batchmischer kommen verschiedene Horizontalmischer zum Einsatz, wie z.B. ein Horizontalmischer mit Schneckenaustragvorrichtung (Abb, 1). Abb.1: Horizontalmischer für die Lebensmittelindustrie Bild Segler
	Der Gegenstrommischer wurde aus der Bandschnecke entwickelt (Abb. 2). Der Gegenstrommischer arbeitet mit einer horizontalen Welle und zwei gegenläufigen Bandschnecken und erzeugt somit horizontale und vertikale Mischeffekte. Abb.2: Gegenstrommischer Bild Segler

Der Vertikalmischer für Trockenstoffe ist mit vertikal angeordneten Mischschnecke ausgestattet (Abb. 3).

Der Vertikalmischer für Schlämme ist im unteren Bereich mit Schneckenflügel und im oberen Bereich mit speziellen dem Produkt angepassten Mischwerkzeugen ausgestattet (Abb. 4).

Abb. 3: Vertikalmischer für trockene Schüttgüter mit mittig angeordneter Mischschnecke Bild Segler	Abb. 4: Vertikalmischer für Schlämme mit vertikaler, reversierbarer Bandschnecke Bild: Segler

Mischen von hochviskosen Produkten im Konus-Schneckenmischer

Im folgenden wird von der Gruppe der Batchmischer der Konus Schneckenmischer auch anhand eines Anwendungsbeispiels betrachtet. Konus-Schneckenmischer werden als diskontinuierliche Mischer zur Homogenisierung verschiedener Chargen pulverförmiger und körniger Feststoffe eingesetzt. In einem sich nach unten konisch verjüngenden Behälter ist gemäß Abb. 5 eine Mischschnecke wandparallel angeordnet. Die Schnecke wird von einem zentral oben angeordneten Getriebemotor angetrieben und ist so gelagert, dass sie um Ihre Längsachse rotiert und gleichzeitig planetenartig in einer Kreisbahn über die ganze Innenfläche des konischen Behälters wandert. Das Mischgut wird von der Schnecke nach oben gefördert und in immer andre Höhenschichten des Behälters gebracht. Die Mischkomponenten werden über einen oder mehrere Stutzen im Klöpperboden eingefüllt. Die fertige Mischung verlässt den Behälter durch einen unten zentral angeordneten Stutzen und/oder durch einen oder mehrere unten seitlich angeordnete Auslassstutzen. Als Auslassorgan werden im allgemeinen Schieber
oder Klappen eingesetzt. Konus-Schneckenmischer können für Druck und Vakuumbetrieb ausgelegt werden.

Zusätzlich zum Mischvorgang können Entlüftungs-, Entgasungs-, und Trocknungsvorgänge durchgeführt werden. Segler-Konus-Schneckenmischer werden sowohl zur Vormischung bestimmter Teilkomponenten, oder auch zur Herstellung von sehr homogenen, großen Mengen von Endprodukt eingesetzt.

Konstruiert werden die Segler-Konus-Schneckenmischer durch ein neu eingeführtes 3D-CAD-Programm von Pro Engineering. Damit ist die Simulation und virtuelle Begehung einer Anlage möglich. Im 3D-CAD lassen sich Änderungskonstruktionen durch Parametrisierung und der internen Vernetzung aller Solid-Elemente durchführen. Alle zusammenhängenden Daten werden dabei automatisch aktualisiert, wenn z.B. das Höhenmaß verändert wird. Das bedeutet für den Kunden verkürzte Planungszeiten, bessere kundenspezifische Ausrichtung der Anlagen und verbesserte Abstimmung mit dem Kunden durch 3D-Darstellung (Abb. 5).

Bereits mehrere große 30m3-Konus-Schneckenmischer wurden mit dieser neuen 3D-CAD-Technik für DOW-USA und DOW-Deutschland konstruiert. Derzeit ist ein weiterer Großmischer im Bau. Das Gesamtvolumen dieser Chargenmischer beträgt 43.000 l, wobei ca. 30.000 l effektiv nutzbar sind. Trotz einer Mischerhöhe von 8 m und einem oberen Durchmesser von 5 Metern ist die Restentleerungsmenge sehr gering, da direkt nach unten abgelassen wird.

Folgende Punkte sind bei der Auslegung und für den erfolgreichen Einsatz von Konus-Schneckenmischern von großer Wichtigkeit:

• Abstimmung der Materialart aller produktberührenden Teile auf das zu mischende Produkt
• Festlegen der Batchgröße
• Auslegung der Geometrie der Mischschnecke
• Dimensionierung und Abstimmung der Drehzahlen und Drehmomente von Orbitarm und Mischschnecke.
• Ist eine Reinigung erforderlich?
• Schnelles Eintragen
• Schnelles Austragen
• Verhalten des Produktes während des Mischvorganges (Energieeintrag usw.)
• Berechnung der mechanischen Beanspruchung des Gesamtsystems auf Dauerfestigkeit.
• Berücksichtigung der Einbausituation und des Aufstellungsortes.

Im folgenden soll am Beispiel eines großen 30 m3-Konus-Schneckenmischers die Montage und Inbetriebnahme vor Auslieferung beschrieben werden. Jede Schneckenanlage wird vor Auslieferung auf Funktionstüchtigkeit überprüft. Je nach Auftrag, Kunde und zu mischendem Produkt wird bei dieser Gelegenheit gegebenenfalls ein Mischversuch mit Produkt durchgeführt, um dann zusammen die Mischwirkung bei den gemeinsam festgelegten Mischparametern zu überprüfen.

Der Konus wird in der Montagehalle zusammengebaut, nach draußen befördert und dort mit einem Autokran auf ein spezielles Mischergestell montiert. Das Einfüllen von Versuchsmaterial kann über Big-Bags und Autokran erfolgen. Nachdem der Mischer sicher steht, elektrisch angeschlossen ist und Produkt eingefüllt ist, kann der Mischversuch stattfinden. In vorher festgelegten Zeitabständen werden Proben gezogen und nach bekannten Auswerteverfahren analysiert. Sollten Anpassungs- und Einstellungsarbeiten an den Mischparametern und ggf. an der Mischschnecke notwendig sein, können diese direkt vor Ort im Werk vorgenommen werden, ansonsten wird die Anlage demontiert und für den Versand bzw. Montage vor Ort vorbereitet.

Im Zusammenhang mit dem Thema "Mischen von teilweise hochviskosen Produkten" sei bei dem Konus-Schnekkenmischer auf eine thermodynamische Besonderheit eingegangen. Bei einem speziellen Produkt wurde im unteren Bereich der Mischschnecke festgestellt, dass sich das Produkt zunehmend über die Mischzeit verhärtete. Das Produkt hat einen TS-Gehalt von über 97% und somit einen geringen Wassergehalt. Dennoch hat sich im unteren Konusbereich Wasser aus dem Produkt ausgeschieden. Während der Ursachenforschung wurde festgestellt, dass sich unterhalb des ersten Schneckenflügels ein Unterdruck bildet, weil mehr Material weggefördert wird, als nachrutscht. Der Unterdruck bewirkt, dass der Dampfdruck, im über die van der Waalschen Kräfte gebundenen Wasser, im Produkt unterschritten wird und somit Wasser ausgeschieden wird. Zum Beispiel beträgt der Dampfdruck bei 60°C 0,2bar.

Das ausgeschiedene Wasser kondensierte an den kühlen Wandflächen und akkumulierte sich an den Stellen auf und dort bildeten sich eben durch den spezifisch höheren Wassergehalt und der Besonderheit des Produktes erhebliche Verhärtungen. Dadurch wiederum erhöhte sich die Reibung zwischen Wandung und Schneckenwelle und vor allem erhöhte sich dadurch die Temperatur, was zu einer zusätzlichen Wasserausscheidung führte.

Geometrieveränderungen an der Mischschnecke und eine Drehzahlreduzierung haben diesen Vakuumpumpeneffekt soweit reduziert, dass die van der Waalschen bzw. Wasserbindungskräfte größer als die Ablösekräfte sind und somit das Problem gelöst ist.

Gegenüberstellung von diskontinuierlichen und kontinuierlichen Mischverfahren

Wie oben schon erwähnt werden die Mehrzahl der industriellen Feststoffmischungen chargenweise im Batchbetrieb durchgeführt. Zu diesem Werdegang hat sicherlich auch die stark durch die Chemie geprägte Entwicklung von Rühr- und Mischverfahren auf der einen Seite, aber auch die mangelnde Automatisierungstechnik, Sensorik und Prozessüberwachung bei bisherigen kontinuierlichen Mischverfahren auf der anderen Seite beigetragen. Neuerdings gewinnen kontinuierliche, kompakte Mischprozesse aus wirtschaftlichen Gründen zunehmend an Bedeutung. Tabelle 1 zeigt den Vergleich zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Mischverfahren.

Tab. 1: Gegenüberstellung von diskontinuierlichen und kontinuierlichen Mischverfahren

Mischen von hochviskosen Produkten mit dem Conti-Mischer

Das Unternehmen ist früh auf das Konzept der kontinuierlichen Mischer eingegangen. So werden beispielsweise seit über vierzig Jahren Doppelpaddelmischer gebaut. Bei kontinuierlichen Mischern ist die verfahrenstechnische Einbindung in einen automatischen Prozess von großer Wichtigkeit. Hier kommt es insbesondere auf das Zusammenwirken der Einzelkomponenten an. Das ist nur gewährleistet, wenn während der Anlagenkonzeption alle Anlagenlieferanten im ganzheitlichen Sinne eng mit dem Kunden zusammen arbeiten und insbesondere auch untereinander kommunizieren. Abb. 6 zeigt die verfahrenstechnische Einbindung des Contimischers. Dabei wird deutlich, daß der Mischerfolg auch von der Genauigkeit der vorgeschalteten Dosieranlagen und der Applikation abhängt. Die Zudosierung der einzelnen Komponenten ist so realisiert, dass mehrere Feststoffkomponenten über Feindosierschnecken zunächst auf ein Förderband dosieren und die Flüssigkomponenten direkt in den Mischer aufgegeben werden. Ferner ist eine Feedbackschleife für das interne Recycling von Überkorn realisiert wurden. Das Überkorn wird mittels eines Zerkleinerers für den Wiedereinsatz online aufbereitet.

Abb. 6: Verfahrenstechnische Einbindung des Contimischers - Bild Segler

Der CONTI-MISCHER wurde aus einer Förderschnecke entwickelt. Hier wird die Mischbewegung durch eine sich drehende Bandschnecke übertragen. Die Feststoffpartikel werden durch die Bandschnecke relativ in ihrer Position zueinander
verschoben. Der Contimischer eignet sich sowohl für kohäsive, feuchte (z.B. Honig-Müsli) als auch für freifließende Produkte (z.B. Mischer vor Extruder) und besteht aus drei Hauptgruppen: Bandschneckenwelle, Mischertrog und Antrieb.

Die Bandschneckenwelle ist in Abb. 7 dargestellt. Zu erkennen ist die Rohrwelle mit dem über Abstandshalter befestigten Bandgewinde. Das Bandschneckengewinde eignet sich besonders für stückige und haftende Güter. Bei dieser Aufgabenstellung war die besondere Herausforderung das teilweise hochviskose, zu mischende Produkt. Als Ergebnis sollten relativ gleichmäßige Müslikomplexe mit gut gemischten gleichmäßigen Komponentenanteile in ähnlicher Größe produziert werden. Das Produkt setzt sich aus verschiedenen Fest- und Flüssigkomponenten, z.B. auch Honig und Zuckerwasser zusammen. Gerade diese zwei Komponenten führen dazu, dass das Produkt schwierig zu mischen ist und zum Anbacken neigt. Die Bandschnecke ist konstruktiv hinsichtlich Festigkeit und Minimierung der Oberfläche optimiert worden. Ferner ist durch hochgenaue Fertigung die Spaltabstände zwischen Schneckenwelle und Schneckentrog minimiert worden. Abb. 7: Contimischer Innenansicht

Entscheidend konnte durch die Oberflächengestaltung zur Minimierung der Anbackungen beitragen, indem eine mechanisch glatte Oberfläche durch eine quasi rauhe Oberfläche mit guten "Notlaufeigenschaften" bzw. minimalen Reibbeiwerten ersetzt worden ist.

Zusätzlich zur Verbesserung des verfahrenstechnischen Ablaufes (Viskositätsanpassung) wurde die Mischschnecke mit einem Heizmantel ausgerüstet.

Zusammenfassung

Anhand des Konus-Schneckenmischers und des Contimischers wurden zwei verfahrenstechnische Vorgehensweisen in Verbindung mit teilweise hochviskosen Produkten dargestellt.

Beim Engineering von Mischern ist eine ganzheitliche Betrachtung des Produktionsprozesses von großer Wichtigkeit. Im einzelnen ist bei der Auswahl des richtigen Mischverfahrens zunächst das Mischziel (Output) zu definieren. Bei den Inputkomponenten sind Bezeichnung, Gebindeform, Schüttdichte, Korngröße, Fließeigenschaften, Abrasivität, Feuchtigkeit und die Empfindlichkeit auf thermische und mechanische Beanspruchung zu klären. Zusammen mit diesen Eigenschaften, dem Mischziel sowie der betriebswirtschaftlichen und verfahrenstechnischen Einbindung, ist das jeweils richtige Mischverfahren auszuwählen.

Bei speziellen Produkten ist oft ein Praxisversuch mit dem ausgewählten Mischverfahren notwendig, um die Funktion und das Mischziel nachzuweisen. Guter Kundenkontakt zusammen mit modernen Konstruktionsmethoden sind gute Voraussetzungen, einen neuen Mischer sowohl betriebswirtschaftlich, als auch technisch optimal in die Produktionsanlage einzubinden, um so einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.