Mischprozesse

Warum sollte man Mischprozesse simulieren?

Das Mischen von Pulvern ist als ein verfahrenstechnischer Schritt in unzähligen Prozessketten vorhanden und häufig von hoher Wichtigkeit für die resultierende Produktqualität.

Neben Trommel- und Trogmischern existieren weitere Bauarten wie Konus- oder Schneckenmischer, wobei die Auswahl des Typs abhängig der zu mischenden Stoffe erfolgt.

Allen Mischprozessen gemein ist dabei, dass stets die Homogenität als Hauptkriterium für Qualität des Mischprozesses herangezogen wird. Neben dieser Größe, sind jedoch abhängig von der mechanischen Belastbarkeit weitere Größen wie z.B. lokale Scherraten von besonders hoher Wichtigkeit.

Gilt es Stoffe mit vergleichsweise geringer mechanischer Festigkeit wie Polymere mit bspw. Keramiken zu mischen, kann es bei zu starker Scherung zur Zerkleinerung der mechanisch weniger stabilen Stoffes kommen, wodurch in folgenden Prozessschritten notwendige Produktqualitäten nicht mehr erreicht werden können.

Vermischung der einzelnen Schüttgutbestandteile

Geschwindigkeitsverteilung während des Mischens

Was sind die Vorteile?

Die versuchsbasierte Untersuchung bzw. Einstellung von Mischprozessen ist hinsichtlich der Homogenität gut durchführbar. Sind jedoch Größen wie die genannten Scherrate von hoher Wichtigkeit, so kann dies experimentell nur unter großem Material- und Zeitaufwand erfolgen. Hierbei bietet die simulative Analyse signifikante Vorteile, wie nachfolgend aufgeführt.

• Reale Abbildung des Mischprozesses mit schneller Variation von Materialeigenschaften, um Prozesseinflüsse zu quantifizieren
• Ermittlung der Materialbeanspruchung (u.a. Scherung) an jeder Position des Mischers
• kein oder nur sehr geringer Materialaufwand und geringerer Energieverbrauch
• Aufbau von Prozesswissen mit jeder weiteren Simulation
• Berechnung unabhängig von einer Tageszeit oder einem Wochentag möglich

Was ist abbildbar?

Abbildbar sind sämtliche Mischerkinematiken und -geometrien, angefangen bei sehr einfachen Trommelmischern bis zu Mischern mit Rührwerken oder auch Schneckenmischer.

Der Mischprozess ist dabei als reiner Trockenprozess oder Nassprozess modellierbar. Das zugrundeliegende Materialverhalten der einzelnen Fraktionen sowie der Interaktion dieser wird dabei berücksichtigt.

Besonders bei stark zur Agglomeration neigenden Schüttgütern, ist dies von besonderer Wichtigkeit, um reales Verhalten abzubilden. Hierzu wird das Kohäsions-/Adhäsionsverhalten des Stoffs durch entsprechende Modelle berücksichtigt. Ebenso stellt die Reibung der Partikel miteinander und mit dem Mischer eine bedeutende Einflussgröße für das Mischergebnis dar, die ebenfalls berücksichtigt wird.

Mischung dreier Schüttgüter im Zeitraffer (Trockenprozess)

Verhalten der einzelnen Fraktionen im Mischprozess (Zeitraffer)

Da Trockenmischprozesse, in denen ausschließlich Feststoffe gemischt werden, schwierig während dem Prozess zu beurteilen sind, erfolgt in den meisten Unternehmen eine versuchsbasierte Prozessdefinition.

Dabei werden Mischversuche unternommen und anschließend eine Bestimmung des Mischergebnisses durchgeführt. Treten Probleme auf, wie bspw. unzureichende Mischung oder Zersetzung der Stoffe, ist die Identifikation von Lösungsmöglichkeiten sehr schwierig.

Durch Simulation des Mischprozesses kann die Verteilung der einzelnen Fraktionen über den Mischprozess hinweg beurteilt werden, um somit Prozessanpassungen abzuleiten. Hierzu gehören beispielsweise die Anpassung der Rührwerksbewegung oder die Designoptimierung des Mischers.

Neben der Betrachtung der einzelnen Fraktion, kann der Prozess auf vielfältige Weise analysiert und somit verstanden werden.

Mittels eines Schnitts durch den Mischbehälter kann bspw. der Zustand des Mischguts über Zeit betrachtet werden, um somit Totwasserzonen, in denen keine Vermischung vorliegt, zu identifizieren.

In diesem Fall wird deutlich, dass im unteren Bereich des Behälters keine ausreichende Bewegung des Schüttguts vorliegt.

Schnitt durch den Mischprozess (Zeitraffer)

Nassmischprozess zur Erzeugung einer Dispersion

Nassmischprozesse ermöglichen im Vergleich zu Trockenmischprozessen grundsätzlich eine bessere Beobachtbarkeit, jedoch ist die Mischung stark Abhängigkeit von der Viskosität der Flüssigkeit und vorliegender Dichteunterschiede.

Bei der Herstellung von Dispersionen kann es bei ungünstiger Kombination dieser Eigenschaften zu einer geringen oder unzureichenden Verteilung des Schüttguts im Fluid kommen.

Durch Simulation des Nassmischprozesses mittels Kopplung der Diskreten Elemente Methode (DEM) und der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), kann diese mehrphasige Problemstellung modelliert und optimiert werden.

Mischen von 2000 l Flüssigkeit und 5 g Pulver

Flüssigkeitsbewegung im 2000 l Mischbehälter