Bonus im Konus

Benedikt Simons

Bei einem Kunststoffhersteller fällt das Material nach der Synthese in Form eines feinen Pulvers an. Diesem werden eine Vielzahl von Additiven wie Stabilisatoren, Antioxidantien, Stoffe zur Verbesserung der Fließeigenschaften der Kunststoffschmelze oder Pigmente kontinuierlich in einem Extruder zugemischt. Bereits geringe Abweichungen vom geforderten Sollwert müssen dabei unbedingt ausgeschlossen werden. Da dies beim Extrusionsprozess aber nicht sichergestellt ist, werden die Additive vorgemischt.

Der Extrusionsprozess läuft in der Regel kontinuierlich ab, eine kontinuierliche Vormischung der Additive wäre eigentlich logisch. Dies würde allerdings für jede einzelne Komponente eine hoch präzise Verwiegung in einer Differenzialwaage erfordern. Die Folge wäre ein sehr hoher regelungstechnischer Aufwand. Denn bereits kleine Regelabweichungen einer einzigen Waage könnten die Produkteigenschaften nachhaltig verändern. Darüber hinaus wäre bei jedem der häufigen Produktwechsel, neben dem Inhalt des Extruders, auch die verbleibende nicht zu Ende gemischte Übergangscharge des Mischers verloren.

Aus diesem Grunde hat sich der Kunststoffproduzent entschieden, eine Additivvormischung auf vertikalen Schüttgutmischern Solidmix VSM von Ekato herzustellen. Die Mischer verfügen über einen zylindrischen Mischbehälter mit kegelförmigem Austragsboden sowie über ein frei fliegendes Mischwerk ohne Bodenlager oder Antriebselemente im Produktraum. Ein wendelförmiges Mischwerk fördert das Produkt nach einem definierten Muster an der Wand nach oben. Im Zusammenspiel mit dem freien Rückfluss im Zentrum der Schüttung findet ein intensiver Stoffaustausch statt. Auch geringe Kleinmengen mit zum Teil sehr unterschiedlichen Schüttdichten und Korngrößenverteilungen werden homogen verteilt.

Das Mischwerk wird von oben angetrieben und die Wellendichtung hat keinen direkten Produktkontakt. Der Vorteil ist ein geringer Verschleiß und daher niedrige Betriebs- und Wartungskosten für den Betreiber.

Damit das Mischergebnis den Vorgaben des Herstellers entspricht, musste zuerst in einem aufwendigen Qualifizierungsverfahren die Tauglichkeit der VSM-Mischer nachgewiesen werden. Dazu wurden verschiedene Mischversuche in einem vertikalen Schüttgutmischer mit einem Nutzvolumen von 100 l im Feststofftechnikum von Ekato Systems durchgeführt. Der Mischer ist mit den notwendigen Messinstrumenten ausgerüstet und ist voll scale-up-fähig.

Aus repräsentativen Produktmischungen wurden an verschiedenen Stellen im Mischbehälter sowie aus dem Produktstrom während der Entleerung Proben genommen und auf ihre Zusammensetzung analysiert. Die Schwierigkeit bei diesem Nachweis liegt darin, dass die Mischgüte nur durch eine nasschemische Analyse auf jede einzelne Komponente bestimmt werden kann. Einfachere Analysemethoden wie Siebung, Leitfähigkeitsbestimmung, Bildanalyse oder Einfärbung können aufgrund der ansonsten sehr ähnlichen Eigenschaften und der Wasserunlöslichkeit nicht angewandt werden. Die Tests ergaben, dass die Mischgüteanforderungen des Kunststoffproduzenten durch den Solidmix VSM eingehalten werden.

Da für die Herstellung einer Mischung nur eine begrenzte Zeit zur Verfügung steht, wurde darüber hinaus die Mischzeit ermittelt. Dazu analysierten die Technikumsmitarbeiter nach dem gleichen Verfahren Proben, die zu verschiedenen Zeiten entnommen wurden. Aus dem Zeitpunkt, ab dem die Zusammensetzung der Proben den Mischgüteanforderungen des Anwenders entsprechen, kann man über Korrelationen die erforderliche Mischzeit im Produktionsmischer bestimmen (Scale-up).

Neben der Mischgüte spielen die im Gerät verbleibenden Restmengen eine entscheidende Rolle. Eine Vermischung verschiedener Rezepturen bei Produktwechsel ist weitgehend auszuschließen. Daher musste die nahezu vollständige Entleerung ebenfalls im Technikumsmaßstab nachgewiesen werden. Das entsprechende Ergebnis wird durch die Behälterkonstruktion mit Kegelboden erreicht, von dem das Produkt nahezu rückstandsfrei abgleitet. Weiterhin spielen eine entscheidende Rolle der äußerst enge Wandabstand, eine Konstruktion ohne feste Einbauten sowie geschliffene Oberflächen, um Wandflächen von Belägen freizuhalten. Restmengen, die auf dem Wendelblatt liegen bleiben, werden nach der Entleerung mit erhöhter Drehzahl abgeschleudert.

Einige der Additive haben einen relativ niedrigen Schmelzpunkt. Daher muss der Energieeintrag so gering gehalten werden, dass zu keinem Zeitpunkt und an keiner Stelle das Produkt die Schmelztemperatur eines Bestandteils erreicht. Auch dieser Nachweis konnte erbracht werden.

Die Produktionsmischer werden in verschiedenen Anlagen eingesetzt und haben je nach Funktion ein Nutzvolumen zwischen 5000 und 16 000 l. Die Additivmischung wird absatzweise auf Anforderung in eine Differenzialwaage entleert, die wiederum den Extruder beschickt. Zur Regelung der Betriebspunkte „voll“ und „leer“ besitzt der Behälter kapazitive Füllstandgrenzmelder. Erreicht der Additivmischer ein Mindestvolumen, wird automatisch die Beschickung des Apparates angefordert. Unabhängig von der Rezeptur und damit verbundenen Schwankungen des Batchvolumens wird so das Nachchargieren gemanagt und die kontinuierliche Versorgung des Extruders sichergestellt.

Darüber hinaus stehen die Behälter auf Wägezellen. Die Gewichtsänderung wird an das Prozessleitsystem gemeldet. Dadurch können die einzelnen Komponenten direkt in den Mischer eingewogen werden. Sowohl die Informationen über den gegenwärtigen Füllstand, als auch über die Rezeptur selbst, werden lückenlos nachverfolgt. Darüber hinaus ist so aber auch die zu entsorgende Restmenge im Fall eines Produktwechsels genauestens bekannt. Sie kann in Puffer entleert werden und steht für die spätere Wiederverwendung zur Verfügung. Dies versetzt den Anwender in die Lage, wirtschaftlicher mit Rohstoffen hauszuhalten und Personal einzusparen.

Die vertikalen Schüttgutmischer VSM gibt es als Standard in Größen von 5 bis 32 000 l Nutzvolumen. Je nach Anforderungen können Gleitringdichtungen, Heiz-/Kühlmäntel, Brüdenfilter, Spezialarmaturen, Zerhacker, Sprühlanzen, automatische Reinigungssysteme, Steuerungen oder Peripheriegeräte zum Schüttguthandling mitgeliefert werden. Die Apparate werden vorwiegend in der chemischen, Lebensmittel- und Kunststoffindustrie eingesetzt. Für die pharmazeutische Industrie werden GMP-konforme Ausführungen mit geschliffenen Oberflächen und reproduzierbar reinigbaren Maschinenelementen angeboten.

cav 460

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