Die mechanische Verfahrenstechnik, eine Teildisziplin der Verfahrenstechnik, beschäftigt sich mit den Umwandlungsprozessen von Stoffen, die auf mechanischer Einwirkung beruhen. Das Mischen zählt dabei zu einer der vier Prozesshauptgruppen:
- Zerkleinern bzw. Zerstäuben von Flüssigkeiten → die Verschiebung des Partikelgrößenbereichs hin zu kleineren Größen
- Agglomerieren → die Verschiebung des Partikelgrößenbereichs hin zu größeren Größen
- Mischen → das Zusammenführen mindestens zweier Stoffsysteme unterschiedlicher Zusammensetzung zu einem Stoffsystem. Hierbei unterscheiden wir Dispersionen, Suspensionen und Emulsionen.
- Trennen, Sieben → die Aufspaltung eines dispersen Systems in zwei disperse Systeme unterschiedlicher Zusammensetzung mit Hilfe der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Stoffsysteme
Historisch bedingt wird meist auch das Lagern, Fördern und Dosieren von Feststoffen, Feststoffsystemen und flüssigen Gütern zu der mechanischen Verfahrenstechnik gezählt, auch wenn dabei in der Regel keine Veränderungen am System auftreten soll.
All diese Verfahrensschritte können sehr energieaufwendig sein, obwohl normalerweise keine Phasengrenzen überwunden werden. So wird Zerkleinerungsprozessen vier Prozent des weltweiten Strombedarfs zugeschrieben (davon vergleichsweise „nur“ ein Prozent für die Zementherstellung).
Beim Mischen wird über das „Mischwerkzeug“ Energie in das Mischgut eingebracht. Dieses Werkzeug befindet sich im Inneren des Mischbehälters – in der Verfahrenstechnik eine Maschine, deren Mischungskomponenten überwiegend als feste Phase vorliegen. Rührer dagegen bezeichnen Maschinen, deren Hauptmischungskomponenten größtenteils als flüssiges System vorkommen.
Doch ganz gleich ob Rühren oder Mischen – Primärziel beider Prozesse ist das Erreichen einer gleichmäßigen Verteilung der zu mischenden Komponenten. Diese kann über die sogenannte Mischgüte quantifiziert werden.
Bei einem mischtechnischen Vorgang werden daher die Bestandteile - mindestens zwei getrennt vorliegender Mischungskomponenten - durch Relativbewegungen so umpositioniert, dass ein neues Anordnungsschema entsteht.
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Beispiele für Anordnungsschemen → Mischzustände:
A: Vollständige Trennung der Einzelkomponenten
B: Ideale Mischung (in der Realität nicht zu erreichen)
C-F: Reale Mischzustände
F: Homogene Mischung (Ziel)
Diese Krafteinwirkung durch Relativbewegungen wird bei dynamischen Mischern (rotierende Werkzeuge) mit Hilfe von Mischwerkzeugen im Inneren des Mischbehälters erzeugt. Hierbei erfolgt ein Umwälzen, Scheren, Schieben und Werfen des Mischguts in radialer und axialer Richtung.
Das distributive Mischen – gleichmäßiges Verteilen aller Partikel in der Formmasse – bedarf dabei geringerer Wurf-, Flieh- und Scherkräfte als das dispersive Mischen – das Aufschließen der zu mischenden Komponenten.
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Distributives Mischen |
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Dispersives Mischen |
Die auf das Mischgut einwirkenden Flieh-, Wurf- und Schubkräfte erfordern in Abhängigkeit der Mischgutkomponenten und der Mischgutkonsistenz einen entsprechend hohen Energieeintrag um das gewünschte Endprodukt zu erhalten. Das Mischwerkzeug ist also eine entscheidende Schnittstelle, welche eine hohe Mischgutqualität und kürzeste Mischzeit verbindet. Auf dieses fokussiert, hängt der spezifische Energiebedarf im Wesentlichen von der Konsistenz des Mischgutes (trocken, krümelig, pastös/plastisch, flüssig), der Geschwindigkeit mit der sich die Mischflügel im Mischgut bewegen und der Ausführung bzw. auch der Betriebsweise des Mischwerkzeugs ab.
Beispiele: Eine Trockenmischung (z.B. Zement, Trockenmörtel) oder ein Schlicker / Slurry (z.B. Porzellan) erfordern demzufolge einen geringeren spezifischen Energieeintrag, als beispielsweise eine plastische Masse (z.B. Ton). Hingegen ist der Energiebedarf eines nach unten arbeitenden und dabei verdichtenden Mischwerkzeugs höher, als bei einem nach oben arbeitenden und auflockernden.
Aus der Notwendigkeit heraus den Energiebedarf optimal in das Mischgut einzubringen, ergeben sich spezifische Anforderungen an die konstruktive Ausführung eines Mischwerkzeugs. So ist ein Mischflügel unter einem Winkel zur Senkrechten am Werkzeughalter anzuordnen, um dem Mischgut einen Bewegungsimpuls nach oben oder unten zu verleihen. Auch wirken sich nebst der Drehzahl die Mischflügelquerschnitte, sowie die Anzahl der Mischflügel und die überstrichene Fläche des Mischflügeldurchmessers auf das Mischergebnis aus.
Der Mischvorgang kann in einem kontinuierlichen1) oder diskontinuierlichen2) Mischer erfolgen. Des Weiteren wird zwischen aktiven und passiven bzw. statischen und dynamischen Mischern unterschiedenen. Bei Mischern, deren Mischwerkzeuge auf Wellen gelagert sind, kann zudem nach der Anzahl der Wellen (Einwellenmischer, Mehrwellenmischer) unterteilt werden.
In aktiven Mischern wird die Energie, die für die relative Verschiebung von Teilchen der Ausgangsstoffe benötigt wird, nicht von den Ausgangsstoffen selber bezogen. Beispiele sind Ultraschallwellen, Vibrationen durch aufsteigende Blasen und pulsierender Einstrom. In passiven Mischern wird die benötigte Energie den einströmenden Ausgangsstoffen entzogen.
KRAUSKOPF setzt auf dynamische, vertikal gelagerte Zwangsmischer mit drehendem Behälter um eine bestmöglichste Mischgüte zu erzielen. Weitere Kriterien für gute Mischanlagen sind u.a. eine hohe Durchsatzleistung und Wiederholgenauigkeit, keine Sieblinenverschiebung, sowie lange und geringe Wartungsintervalle. Die Bauform eines Mischers definiert sich über die Geometrie des Mischbehälters (z.B. Trommel, Zylinder, Konus, Kubus, Tetraeder, etc.) und das Fassungsvermögen (Versuchsmaßstab z.B. 2 l, Technikumsmaßstab z.B. 20 l, Produktionsmaßstab z.B. 1.000-3.000 l).
