Mischen: Zusammenhänge verstehen, Potentiale erschließen

Mischen ist ein interessanter verfahrenstechnischer Prozess mit noch vielen spannenden, offenen Fragestellungen und großem Potential für neue Lösungen. Dazu verfügt die Liebherr-Mischtechnik GmbH, die sich seit 65 Jahren mit mischtechnischen Aufgabenstellungen beschäftigt, mit ihren erfahrenen und engagierten Mitarbeitern, sehr gut ausgestatteten Versuchseinrichtungen und einem weltweiten Vertriebsnetz über eine sehr gute Ausgangslage.

Mischprodukte weiterzuentwickeln und damit neue Eigenschaften oder verbesserte Qualitäten zu erreichen und die Herstellungsprozesse effizienter zu machen, sind Herausforderungen für die es neuer Lösungsansätze bedarf. Tiefere Einblicke in die verfahrenstechnischen Zusammenhänge die produktspezifisch bei einer Mischaufgabenstellung bewältigt werden müssen, sind notwendig. Dazu verfügt Liebherr-Mischtechnik über eine Entwicklungsbasis, die moderne, rechnergestützte Simulationstechniken mit Versuch und Praxis verbinden. Ziel ist es immer besser zu verstehen, was in einem Mischer für Prozesse ablaufen und welche verfahrenstechnische Prozesse für die Erreichung der gewünschten Produkteigenschaften notwendig sind. Hier wird häufig übersehen, dass das Mischen nur eine von vier Grundoperation der mechanischen Verfahrenstechnik ist. Zusätzlich sind noch die thermischen oder chemischen Verfahrenstechniken zu beachten, welche die Erreichung der gewünschten Produktqualität begleiteten oder sogar dominieren.
 
Um die Erkenntnisse unterschiedlicher Mischtechnologien möglichst schnell und erfolgreich vorantreiben zu können, wird bei Liebherr in diesen 3 Bereichen parallel geforscht:

- Simulation (digitale Mischprozesse)
- Labormaßstab (skalierbare Mischversuche)
- Praxis (Mischversuche und Praxiserfahrung)
 
Eine Kernkompetenz der Liebherr-Mischtechnik sind mischtechnische Lösungen für Aufgabenstellungen bei denen die feste Phasen den Hauptanteil einer Rezeptur bilden. Dabei ermöglichen die Mischsysteme hohe Mischgüten sowohl für das distributive Mischen schwierig zu vermischender Komponenten als auch für das dispersive Mischen mit intensivem Materialaufschluss.


Der Ringtellermischer

Für Aufgabenstellungen mit Schwerpunkt dispersiven Mischen (Feinaufschluss und Feinverteilung), eignet sich der Ringtellermischer mit integriertem Wirblersystem hervorragend. Bei diesem Mischsystem haben die in einem Ringtrog umlaufenden Mischschaufeln die Aufgaben einer Grobvermischung, des Materialtransportes und des Entleerens. Weiterhin rotieren auf einer Umlaufbahn innerhalb des Ringtrogs 1 bis zwei Wirblersysteme. Die Umlaufgeschwindigkeit der Wirbler korreliert mit der Mischwerksdrehzahl. Die Drehzahl der Wirbler selbst ist jedoch wesentlich höher und kann nach Bedarf auch stufenlos geregelt werden. Damit ergibt sich bei jedem Umlauf eine hocheffiziente Beanspruchung des Mischgutes für einen gewünschten Feinaufschluss (Dispergiereffekt).

 
Abb: Ringtellermischer mit Wirblersystem


Der Doppelwellenmischer


Der Doppelwellenmischer hat seinen Schwerpunkt im distributiven Mischen, das bedeutet in der gleichmäßigen Verteilung schwierig zu vermischender Komponenten. Dabei wird er hohen Ansprüchen bezüglich der statistischen Mischgüte gerecht. Dies wird erreicht durch eine asymmetrische spiralförmige Anordnung der Mischwerkzeuge auf den beiden Mischwellen. Dadurch wird eine Zirkulation des Mischgutes durch den gesamten Mischraum sichergestellt. Weiterhin erfolgt zwischen den Mischwellen in einer hochturbulenten Mischzone ein intensiver horizontaler Austausch. Zusätzlich wird das Mischgut durch die Rotation der Mischwellen in vertikaler Richtung bewegt. Durch diese Bewegungskombination ergibt sich ein echter dreidimensionaler Prozess und damit eine hohe statistische Wahrscheinlichkeit, dass ein beliebiges Teilchen zu jeder beliebigen Position im Mischtrog. Auch bei niedrigen (produktschonenden) Umfangsgeschwindigkeiten werden sehr gute Mischgüten erreicht. Wenn zusätzlich höhere Scherbeanspruchungen benötigt werden, kann aber auch ein Doppelwellenmischsystem mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden. Das bedeutet mit diesem System können in einem großen Bereich von Drehzahlen sehr gute Mischgüten effizient erreicht werden. Das ist wesentlicher Unterschied zu anderen zweidimensional ausgerichteten Mischsystemen.
 
 
 
Abb: Dreidimensionale Bewegungen des Mischgutes im Doppelwellenmischer
 

Labormischer


Labormischer senken den Versuchsaufwand, ermöglichen eine systematische Lösungsfindung und können fundierte Entscheidungsgrundlagen liefern. Unser Ziel ist es Entwicklern von neuen Rezepturen oder Qualitätsüberwachungseinrichtungen, mit dieser Technik, eigene praxisnahe Versuche zu ermöglichen. Diese Labormischer bieten die gleichen verfahrenstechnischen Abläufe, wie sie auch in der Praxis auftreten. Das bedeutet, bei Mischversuchen im Labormaßstab werden 1:1 die gleichen Beanspruchungs- und Bewegungsabläufe realisiert. Diese Gesichtspunkte sind in die Entwicklung der neuen Liebherr-Labormischer eingeflossen. Schwerpunktmäßig für das distributive Mischen konzipiert ist der Doppelwellenmischer DW 0,06/100. Für höhere Scherraten ist der Doppelwellenintensivmischer DWI 0,06/100 konzipiert. Dieser ermöglicht Mischwellendrehzahlen bis 600 upm. Speziell für anspruchsvolle Dispergieraufgaben steht der Ringteller-Intensivlabormischer RIV 0,06/100 mit separat und unabhängig von der Mischwerksdrehzahl regulierbarer Wirblerdrehzahl zur Verfügung.
Eine moderne Steuerung ermöglicht u.a. eine Unterteilung des Versuchsablaufs in einzelne Abschnitte, eine übersichtliche Darstellung des Versuchsverlaufs und die Integration unterschiedlicher Sensorik wie z.B. Temperatur, Feuchtemessung, Drehzahl und Kraftmessungen. Für weitergehende Analysen können die Daten in einem neutralen Format ausgelesen werden. Die Steuerung kann auch in ein eigenes Netzwerk integriert werden.
 

 
Abb: Die neuen Labormischer von Liebherr
 

Technikum


Für Kunden die aufgrund anstehender Investitionen oder neuen Produktideen auf der Suche nach einer geeigneten Mischtechnik sind, bietet die Liebherr Mischtechnik GmbH mit seinem professionellen Technikum sehr gute Möglichkeiten. Maschinentechnisch stehen hier auch die beschriebenen Labormischer zur Verfügung. Dies wird ergänzt durch die Möglichkeit Validierungsversuche auf Mischern in Praxisgröße (von 750 l bis 3800 l) durchführen zu können.
Begleitet werden diese Versuche durch qualifiziertes Liebherr-Personal mit großer Praxiserfahrung und Unterstützung bei der Findung einer zielführenden Versuchssystematik.
 

 
Abb: Das Versuchs-Technikum von Liebherr steht auch Kunden zur Verfügung
 

Simulation


Die bisherige Entwicklung der Mischtechnik ist stark durch empirische Erfahrungswerte geprägt. Bezüglich des Verständnisses der Wirkprinzipien von Mischsystemen gibt es immer noch Luft nach oben. Aus diesen Gründen haben sich die Entwicklungsprozesse verlangsamt. Neue Methoden zur rechnergestützten Simulation und Virtualisierung ermöglichen heute tiefere Einblicke in die mischtechnischen Vorgänge. Die Nutzung dieser Möglichkeiten ist ein wichtiger Schlüssel für neue Entwicklungen. Um diese Potentiale zu erschließen, arbeitet die Liebherr Mischtechnik GmbH systematisch daran eine eigene interne Simulationskompetenz aufzubauen. Diese Möglichkeiten helfen nicht nur intern die Mischtechnik weiterzuentwickeln, sondern auch unseren Kunden mischtechnische Prozesse besser zu verstehen und ist damit ein Baustein zur Sicherung einer Investitionsentscheidung. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung Virtualisierung verfahrenstechnischer Prozesse und damit in Richtung Digitalisierung.
 
 
Abb: Simulation Ringtrogmischer
 

 
BU: Simulation Doppelwellenmischer mit Fasern (Körnung ausgeblendet)

Zusammenfassend bietet Liebherr: Erfahrungen zur Lösung spezifischer mischtechnischer Aufgabenstellung, bewährte Mischsysteme, großen Erfahrungen im Mischanlagenbau, eine neue Labormischer-Baureihe, die Nutzung von modernen Simulationstechniken, die Möglichkeit von internen und externen Versuchen im Praxismaßstab.
 
Liebherr-Mischtechnik GmbH
Im Elchgrund 12
D-88427 Bad Schussenried
Tel.: +49 (7583) 949 328
Fax.: +49 (7583) 949 396
 
 

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