Mischen von hochviskosen Produkten mit Konus - Segler ...

Mischen von hochviskosen Produkten
mit Konus- und Bandschneckenmischern
Einleitung
Die Mehrzahl der industriellen Feststoffmischungen
werden chargenweise im
Batchbetrieb durchgeführt. Als Batchmischer
kommen verschiedene Horizontal-
mischer zum Einsatz, wie z.B. ein
Horizontalmischer mit Schneckenaustragvorrichtung
(Abb, 1).
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.
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).
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 körni-
Abb. 1: Horizontalmischer für die Lebensmittelindustrie
Bild Segler
Dr.-Ing. Dieter Schillingmann, Segler-Förderanlagen
Maschinenfabrik GmbH, Fürstenauer Damm 9,
49626 Berge
Tel. 05435/9510-0 • Fax: 05435/9510-33
E-Mail: info@segler-foerderanlagen.de
Dieser Beitrag beruht auf einem Vortrag beim
VDI/GVC-Fachausschuss „Mischvorgänge” am
3./4. Mai 1999 in Hameln.
Abb. 2: Gegenstrommischer Bild Segler
ger 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-
Abb. 3: Vertikalmischer für trockene Schüttgüter mit
mittig angeordneter Mischschnecke
Bild Segler
Schneckenmischer können für Druckund
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 30m 3 -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
Abb. 3: Vertikalmischer für Schlämme mit vertikaler,
reversierbarer Bandschnecke
Bild: Segler

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 m 3 -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.
Abb. 5: Konus-Schneckemischer 3D-CAD
Bild: Segler
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
Diskontinuierlich Kontinuierlich
Raumbedarf Großer Raumbedarf Geringer Raumbedarf bei großen
bei großen Chargen Durchsätzen
Input Einfache Dosierung Genaue kontinuierliche Zudosierung
Mischen Hohe Anforderungen an Geringere Anforderungen an
den Mischer aufgrund den Mischer aufgrund
der Gesamtcharge der spezifisch geringen Menge
Output Gefahr des Entmischens, Geringe Gefahr der Entmischung,
hohe Anforderung an insbesondere bei direkter
den Mischerauslauf, Anbindung an die
kurze Transportwege nächste Prozessstufe
Häufigkeit des Teilweise mehrmals pro Stunde Mehrere Stunden
Rezeptwechsels bei kleineren Chargenmischern unverändertes Rezept
Sicherheit Maßnahmen für Kleinere Materialmengen besitzen gerinexplosionsgefährdete
Stoffe ges Gefahrenpotential
Stillstand Mehrmals täglich Einmal pro Tag oder seltener
Reinigung In der Regel größere Flächen In der Regel kleinere Oberflächen
bei gleichem Durchsatz bei gleichem Durchsatz
Durchsatz Alle Leistungen verfahrenstechnisch nach unten
und oben begrenzt
Investition in der Regel höher in der Regel geringer

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.
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.
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
Abb. 7: Contimischer Innenansicht
Bild Segler
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.
Abb. 8: Verfahrenstechnische Einbindung des Contimischers Bild Segler