04.2025 | Fachartikel
Mischen statt Rühren
Kürzere Prozesszeiten, höhere Produktqualität: Innovative Mischtechnik bei der Herstellung von Farben, Lacken und Beschichtungen
Traditionelle Rührwerke sind als Werkzeuge für das homogene Mischen schlecht geeignet, die Unterschiede zu innovativen Mischtechnologien sind enorm. Mit modernen Leitstrahlmischern werden Prozesszeitverkürzungen von 90 % und mehr erreicht – bei einer gleichzeitig höheren Qualität des Endproduktes.
Das „Rühren“ ist in vielen Bereichen der Prozessindustrie von entscheidender Bedeutung. Gerührt werden muss, um verschiedene Komponenten miteinander zu vermischen oder um ein Trennen, ein Sedimentieren oder Flotieren von Rezepturbestandteilen zu verhindern, kurz, um Homogenität zu erreichen und ein Separieren zu vermeiden.
Auch zum Heizen und Kühlen des Behälterinhalts und zum Temperaturausgleich muss gerührt werden. Schmelzen, Begasen, Kristallisieren und Fällen, bis zu einem gewissen Grad sogar Dispergieren und Emulgieren sind ebenfalls Aufgaben für einen Rührer. Bei all diesen Grundaufgaben steht immer das homogene Vermischen des Behälterinhalts im Vordergrund.
Es gibt auch Rührwerke, die die homogene Mischung gezielt behindern sollen. Das ist bei Reaktionskolonnen erforderlich, in denen ein Feststoff ganz oben oder ein Gas ganz unten zugegeben werden, welche sich dann langsam, Ebene für Ebene mit möglichst langer Verweilzeit in jeder einzelnen Schicht durch den Behälter verteilen. Es gibt sogar auch Rührer zum Entmischen, zum Entgasen und zur Phasentrennung. In den allermeisten Fällen werden Rührer jedoch für das homogene Mischen eingesetzt – und hier sind die Unterschiede zwischen traditionellen Rührwerken, wie sie bei der Herstellung von Farben, Lacken und Beschichtungen nach wie vor häufig zum Einsatz kommen, und innovativen Mischtechnologien enorm. Mit modernen Leitstrahlmischern kann die Prozesszeit gegenüber traditionellen Rührwerken drastisch verkürzt werden, während gleichzeitig eine 100-prozentige Homogenität erreicht wird.
Rotation verhindert vertikale Umwälzung im Behälter
Ein typisches Problem aller konventionellen Rührer ist die viel zu langsame vertikale Vermischung im Behälter. Oftmals rotiert die Flüssigkeit dabei nur – wie in einem Karussell. Eine horizontale Rotation ist allerdings nicht die Umwälzung, die für eine homogene Vermischung benötigt wird. Benötigt wird vielmehr eine Umwälzung von unten nach oben, von oben nach unten, von innen nach außen und von außen nach innen. Eine vertikale Umwälzung des Behälterinhalts findet beim Einsatz eines konventionellen Rührwerks nur sehr langsam statt, da die Trägheit der rotierenden Flüssigkeit die vertikale Vermischung behindert. Die dafür vom Antriebsmotor aufgenommene elektrische Leistung steigt exponentiell zur dritten Potenz der Rührerdrehzahl (Pel ~ n³). Je höher die Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks, desto mehr Leistung wird eingetragen, desto schneller rotiert allerdings die Flüssigkeit horizontal und behindert trotz enormen Energieeintrags die vertikale Vermischung immer stärker. Häufig werden in Rührwerksbehälter deshalb vertikale Stromstörer eingebaut. Diese erzeugen jedoch Strömungsschatten und nicht mischbare Zonen, außerdem sind sie problematisch bei der Reinigung. Stromstörer sind alles andere als ideal für eine vertikale Durchmischung gestaltet. Sie stehen wie eine Wand in der außen strömenden Flüssigkeitsschicht. Die Flüssigkeit muss ausweichen, nach innen, außen, oben und unten. Trifft die Flüssigkeit auf den Stromstörer, wird viel Bewegungsenergie in Wärme verwandelt und nur ein Bruchteil der Bewegung wird in vertikale Richtung umgelenkt.
In einem Prozessbehälter werden oftmals Medien mit komplett unterschiedlichen Fließverhalten gemischt: zähe und dünnflüssige Medien, leichte und schwere Flüssigkeiten, Gase oder Pulver in flüssige Vorlagen. Die Zugabe dieser einzumischenden Komponenten sollte eigentlich genau in der Zone mit der höchsten Turbulenz erfolgen, um sie intensiv zu vermischen. Doch was ist die gängige Praxis? Die Zugabe erfolgt von oben auf die Oberfläche, in die Zone geringster Geschwindigkeit und ohne Turbulenz. Auch eine Trombe in einem Rühr- oder Dissolverbehälter ist ungeeignet, da die Flüssigkeit innerhalb der Trombe ohne Turbulenz an der Oberfläche rotiert und unerwünscht Luft einträgt. Gibt man Pulver oder Flüssigkeiten auf eine derart rotierende Flüssigkeitsoberfläche, dann werden sie zusammen mit dieser Luft in einem Strudel von der Flüssigkeit mit nach unten genommen, aber nicht intensiv vermischt, nur transportiert. Das erzeugt schwer zu dispergierende Agglomerate und Inhomogenitäten.
In der Herstellung von Lacken und Farben ist die Dichte fast aller verwendeten Feststoffe wie Pigmente, Füllstoffe oder Mattierungsmittel deutlich höher als die Dichte der Flüssigkeit, in welche sie eingemischt werden. Damit neigen sie zur Sedimentation am Behälterboden. Sedimentiertes Material kann mit konventioneller Rührtechnik nicht mehr in Bewegung gebracht werden, da keine gerichtete Bewegung zum Boden hin aufgebaut wird und vor allem im Zentrum des Behälters nur eine minimale rotierende Produktbewegung vorhanden ist.
Nur sehr wenige Füllstoffe in der Farb- und Lackindustrie sind leichter als die Flüssigkeit (Microspheres) und neigen deshalb zum Flotieren an die Flüssigkeitsoberfläche. An der Oberfläche flotierende Produktbestandteile können mit einem konventionellen Rührwerk nur dann in die Flüssigkeit zurückgeführt werden, wenn die Geschwindigkeit und der Energieeintrag des Rührwerks wieder so stark erhöht werden, dass eine ausreichend starke Trombe entsteht. Dann jedoch werden große Mengen an Luft mit eingetragen, welche im Produkt nicht erwünscht ist und außerdem das Flotieren von Rezepturbestandteilen sogar noch fördert.
Konventionelle Rührwerke haben ein ernsthaftes Problem mit der gleichmäßigen und homogenen Verteilung von Rezepturkomponenten über die gesamte Füllhöhe, vor allem bei Suspensionen. Eine homogene Verteilung ist praktisch nicht erreichbar. Die Höhe der Suspensionszone beträgt nur maximal 90 % der Füllhöhe und selbst innerhalb dieser Suspensionszone ist die Konzentration nicht gleich verteilt. Es liegen Konzentrationsspitzen mit 1,5- bis 2,5-facher Durchschnittskonzentration vor.
Weil man tatsächlich homogene Suspensionen nicht realisieren kann, werden in der Rührwerkstechnik die Begriffe „vollständige“ und „homogene“ Suspension anders definiert, als man das erwartet. Abb. 1 zeigt, dass man als „vollständige“ Suspension bereits den Zustand definiert, in welchem alle Partikel aufgewirbelt sind. Als „homogene“ Suspension bezeichnet man den Zustand, in dem die Höhe der Suspensionszone 90 % der Füllhöhe erreicht. Darüber kann die Konzentration gleich Null sein.
Eine wirklich homogene Verteilung lässt sich erst mit dem Leitstrahlmischer erzeugen.
Homogenität und Inhomogenität bei verschiedenen Rührwerkstypen
Der Suspendierzustand und die homogene bzw. inhomogene Verteilung lassen sich sehr gut in einem Glasbehälter beobachten. Abb. 2 zeigt das Mischbild in einem ca. 700 Liter großen Glasbehälter bei Verwendung sowohl konventioneller als auch eines neueren Rührwerkzeugs im Vergleich zu einem Leitstrahlmischer (1. Position von links). Das zweite Werkzeug von links ist ein Marinepropeller mit ausgeprägt vertikaler Strömung. Das dritte Werkzeug ist ein Hydrofoil Impeller mit sehr niedriger Newtonzahl. Beide Werkzeuge werden gegenüber einfachen Schrägblattrührern bevorzugt, weil sie erheblich weniger Leistung benötigen. Der vierte Rührer ist ein Cone Type Impeller, wie er seit ca. 25 Jahren im Einsatz ist. Das rechte Rührorgan ist eine Dissolverscheibe.
Im Foto wird deutlich, dass bei allen Rührwerken eine stark inhomogene Verteilung zu erkennen ist und die Flüssigkeit im oberen Bereich nahezu klar erscheint, während die Konzentration in tieferliegenden Schichten überhöht ist. Das bestätigt, dass mehr als 90 % Suspensionshöhe mit Rührwerken kaum erreicht werden können.
Nur der Leitstrahlmischer ganz links in Abb. 2 erzeugt eine homogene Verteilung vom Behälterboden bis zur Oberfläche der Flüssigkeit.
Betrachtet man die Strömungsrichtungen im Behälter, sieht man ein weiteres Phänomen. Anders als in vielen Abbildungen mit Strömungslinien in Rührwerksbehältern erkennt man beim Marinepropeller und beim Hydrofoil Impeller zwei ganz klar getrennte unterschiedliche Strömungen unterhalb und oberhalb des Propellers. Genau in der Höhe des Propellers ändert sich die Strömungsrichtung komplett. Unterhalb des Propellers strömt die Flüssigkeit von unten nach oben. Oberhalb des Propellers rotiert sie horizontal im Kreis. Dies ist durch die Pfeile in Abb. 3 dargestellt. Beim Cone-Type-Rührer rotiert die gesamte Flüssigkeit horizontal mit einer massiven Trombe an der Oberfläche. Beim Dissolver strömt die Flüssigkeit unterhalb und oberhalb der Scheibe leicht schräg nach unten und oben. Ab der Oberfläche bildet sich ebenfalls eine Trombe.
Wie Abb. 4 zeigt, wirkt sich diese Strömung auch auf die homogene Verteilung einer Farbpaste im gerührten Behälter aus. Die Farbpaste und die Basisflüssigkeit haben etwa gleiche Viskosität, das heißt das Einmischen müsste sehr einfach sein. Die Abbildung zeigt die Farbverteilung bei Verwendung verschiedener Rührwerkzeuge. Bei Einsatz des Leitstrahlmischers ist die gelbe Farbpaste in der blauen Flüssigkeit bereits nach 12 Sekunden vollständig homogen verteilt. Sowohl beim Marine- als auch beim Hydrofoil-Impeller erlebt man wieder eine Überraschung: Die gelbe Farbpaste verteilt sich innerhalb von 20 Sekunden homogen nur im gesamten Bereich oberhalb des Rührwerkzeuges. Unterhalb bleibt die Flüssigkeit grau. Das heißt, dass sich in der Ebene des Propellers nicht nur die Strömungsrichtung ändert, sondern dass sich die Flüssigkeit sogar in zwei separate Zonen teilt, die nur sehr langsam miteinander vermischt werden. Die Abbildung in der Mitte zeigt den Zustand nach 2 Minuten Rührzeit. Nach 4 Minuten ist immer noch ein deutlicher Farbunterschied zu erkennen. Erst nach 6 Minuten Rührzeit erkennt man visuell keinen Unterschied mehr. Im rechten Bild wird die Mischwirkung des Cone-Type-Rührers deutlich: Die innerhalb der Trombe nach unten geförderte blaue Farbpaste bleibt sehr lang nur im Bereich des Behälterbodens.
Vollständige Homogenität nur mit dem Leitstrahlmischer
Moderne Leitstrahlmischer setzen auf ein konsequent vertikal mischendes Prinzip und kombinieren dabei eine turbulente Mikromischzone in ihrem Mischkopf mit einer nahezu turbulenzfreien vertikalen Makrovermischung des gesamten Behälterinhalts. Anders als bei der Verwendung eines herkömmlichen Rührwerks ist das Produkt am Ende des Mischprozesses dann auch tatsächlich vollständig homogen durchmischt – ohne ungemischte Zonen, ohne Sedimente – und es werden unabhängig von der Batchgröße gleichbleibende Ergebnisse erzielt.
Damit erreichen sie nicht nur eine homogene Konzentration der Rezepturkomponenten, sondern auch eine homogene Viskositätsverteilung im gesamten Behälter. Deshalb kommen Leitstrahlmischer auch im Lackierprozess bei der Verwendung von Farbspritzrobotern zum Einsatz. Farbspritzroboter reagieren auf minimale Unterschiede in der Zusammensetzung und Konsistenz des zu versprühenden Lackes mit sichtbaren Unterschieden in der Lackierung. Die Lackqualität muss also beim vollen und später beim fast leeren Vorratsbehälter konstant bleiben. Deshalb werden bei diesen Anwendungen Leitstrahlmischer zum homogenen Mischen eingesetzt.
Die geforderte Homogenität führt beim Einsatz traditioneller Rührwerke häufig zu langen Rührzeiten, zu wiederholtem Prüfen und Nachjustieren der Produkteigenschaften. Weil mit dem Leitstrahlmischer eine tatsächlich homogene Gleichverteilung im Behälter erreicht wird, fällt der Kontrollaufwand deutlich niedriger aus. Wegen der erheblich kürzeren Mischzeiten ist auch der Energiebedarf um 60 bis 90 % niedriger. Die gesamte Prozesszeit und die Belegung der Prozessanlagen kann um 50 bis 90 % verkürzt werden. Das erlaubt Kapazitätssteigerungen allein durch bessere Mischtechnik.
Je nach Behältergröße und Einbausituation können Leitstrahlmischer von oben, von der Seite oder von unten in einen Behälter integriert werden. In der Herstellung von Lacken und Farben wird in der Regel der seitliche Einbau bevorzugt (s. Abb. 5), da man damit sehr variable Füllstände bearbeiten kann und sich der Behälter viel besser reinigen lässt als bei einem Einbau von oben.
Abb. 6 zeigt das Strömungsbild bei Einsatz eines Leitstrahlmischers aus verschiedenen Perspektiven: Der Flüssigkeitsstrom wird durch das Rotor-Stator-System auf den Boden gerichtet und an der Behälterwand entlang zur Oberfläche geführt, kehrt dort um und gelangt zurück zum Mischkopf. Der Farbverlauf in Abb. 6 von Dunkelblau bis Rot stellt dabei die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten dar. Der gesamte Behälterinhalt ist in Bewegung. Es werden keine Stromstörer benötigt. Die höchste Geschwindigkeit hat die Flüssigkeit am Behälterboden. Dadurch werden zum Sedimentieren neigende Medien permanent aufgemischt und im gesamten Behälter homogen verteilt.
Praxisbeispiel eines Mischprozesses in der Lack- und Farbherstellung
Ein Lack- und Farbhersteller wollte das Anmischen seiner Farben und die Einstellung der Farbtöne, die zuvor viele Stunden in Anspruch genommen hatten, durch den Einsatz neuer Technologie auf eine halbe Stunde verkürzen. Hierfür wurde der Mischprozess mit einem Leitstrahlmischer bei Zugabe einer schwarzen Paste in einem 30.000 Liter fassenden Prozessbehälter vorab simuliert. Die unterschiedlichen in Abb. 7 dargestellten Farben stehen dabei für die jeweilige Konzentration, der Zielwert entspricht im Schaubild dem Farbton Dunkelorange.
Es dauert etwa 60 Sekunden, bis die gesamte Flüssigkeit im Behälter in Bewegung ist. Der zur Oberfläche gelangende Strom wird umgelenkt und zieht dabei bereits Teile der Paste in die Flüssigkeit. Nach ca. 90 Sekunden erreicht das Feststoff-Flüssigkeitsgemisch erstmals den Mischkopf, wird dort sofort beschleunigt und in eine vertikale Rotation versetzt. Von diesem Moment an baut sich im gesamten Behälter eine gleichbleibende Strömung auf. Schon nach 400 Sekunden wird in einigen Bereichen des Prozessbehälters die Endkonzentration erreicht, nach 600 Sekunden gilt dies bereits für große Bereiche des Behälters. Nach 1.000 Sekunden sind 99 % des Behälterinhaltes homogen verteilt, nach 1.200 Sekunden sind es 99,9 % (vgl. hierzu den Gleichverteilungsindex in Abb. 8).
Im Praxiseinsatz der Prozessanlage wurden die Ergebnisse dieser Simulation nicht nur bestätigt, sondern sogar noch übertroffen.
Bei der Planung einer solchen Anlage sollte man beachten, dass die Zugabe der Paste von oben auf die Flüssigkeitsoberfläche auch bei einem Leitstrahlmischer der ungünstigste Ort ist. An der Oberfläche bewegt sich zwar die gesamte Flüssigkeit ständig von einer Seite zur anderen und taucht wieder nach unten ab, aber diese Zugabe bleibt die langsamste und damit ungünstigste Möglichkeit für den Eintrag von Additiven, Farbpasten oder anderen Rezepturbestandteilen. Bei einer optimierten Zugabe unterhalb des Flüssigkeitsspiegels – idealerweise nahe des Behälterbodens, wo die Fließgeschwindigkeit noch deutlich höher ist – kann die Mischzeit noch einmal um etwa 50 % verkürzt werden.
Einfache Nachrüstung
Leitstrahlmischer können einfach und flexibel in einem vorhandenen Prozessbehälter nachgerüstet werden. Die Form des Behälters spielt dabei keine Rolle, damit ist beispielsweise auch in einem rechteckigen Behälter eine Nachrüstung problemlos möglich.
Die vorhandenen Rührorgane müssen bei einer Nachrüstung oft nicht entfernt werden. Abb. 9 zeigt einen Rührwerksbehälter mit einem existierenden Rührwerk mit vier großen Rührorganen. Da dieses Rührwerk nicht homogen mischen konnte, musste ein Leitstrahlmischer nachgerüstet werden. Der Mischer wurde in der Behälterwand installiert. Hierfür mussten lediglich zwei der Rührorgane etwas versetzt werden.
Ist an der Behälterwand noch kein Flansch vorhanden, kann dieser ebenfalls nachgerüstet werden. Auch unterschiedliche Wandstärken – im zylindrischen Bereich ist die Wandstärke oftmals geringer als am Boden – sprechen nicht gegen eine Nachrüstung: Reicht die Wandstärke nicht aus, kann ein Schürzenblech aufgeschweißt werden, wodurch auch im Falle einer dünnen Außenwand ein Einbau des Leitstahlmischers auf einfache Weise realisiert werden kann.
Bei Anwendungen in der Lack- und Farbherstellung, bei denen aufgrund hoher Dichte und Viskosität eine hohe Mischleistung benötigt wird, können zudem auch mehrere Leistrahlmischer in einem Behälter nachgerüstet werden (s. Abb. 10).
Ergebnisse auf einen Blick
- Traditionelle Rührwerke sind als Werkzeuge für das homogene Mischen schlecht geeignet, da hier die Trägheit der horizontal rotierenden Flüssigkeit die vertikale Umwälzung behindert.
- Viel effizienter ist ein konsequent vertikal mischendes Prinzip, das Leitstrahlmischen.
- Die Prozesszeit lässt sich mit innovativer Mischtechnik um mehr als 90 % reduzieren und es können im Durchschnitt zwei Drittel der bisher benötigen Energie eingespart werden.
- Anders als bei konventioneller Rührwerkstechnik ist das Mischergebnis beim Einsatz eines Leitstrahlmischers tatsächlich vollständig homogen.
- Eine Nachrüstung bestehender Prozessanlagen mit innovativer Mischtechnologie ist einfach möglich.
Dieser Artikel ist in einer bearbeiteten Fassung erschienen in:
FARBE UND LACK, 04.2024, S. 40-45
Über den Autor
Dr. Jacob ist Senior Expert Process and Applications bei ystral. Der studierte Maschinenbauer trat bereits 1990 als Verfahrenstechniker in das Unternehmen ein und betreut seitdem unsere Key - Accounts weltweit. Seine berufliche Leidenschaft ist dabei das Mischen und die Dispersion von Pulvern in Flüssigkeiten. Hierbei konnte er in seiner langjährigen Karriere, Erfahrungen im Umgang mit mehreren tausenden Pulvern aus den verschiedensten Branchen sammeln und teilt seine Expertise gerne mit Herzblut in diversen Fachartikeln, Online-Seminaren oder Vorträgen.
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