Pulverbenetzung im kontinuierlichen Betrieb Kontinuierliche Verfahren überzeugen beim qualitativen und schnellen Pulvereintrag in Flüssigkeit: Es wird gemischt, homogenisiert und dispergiert in nur einer Passage. Um eine homogene Mischung aus Feststoffen und Flüssigkeiten zu gewinnen, werden oft Behälter mit Rührmaschinen verwendet. Diese industriellen Anlagen bestehen aus mehreren Behältern, Mischmaschinen und Peripheriegeräten. Trotz moderner Rührgeometrien und der Möglichkeit, die Drehzahl der Mischwerkzeuge bei Bedarf zu erhöhen, treten in Chargensystemen immer wieder die gleichen Probleme auf, die eine harmonische Vermählung von Fest und Flüssig verhindern. Auch für moderne Rührer ist es eine große Herausforderung, langfristig dauerhafte Mischqualitäten zu gewährleisten. Der offene Batchbetrieb begünstigt Agglomerat- und Staubbildung. In der Folge finden sich nicht erfolgreich gemischte Feststoffpartikel an der Rührwelle, der Behälterwand oder IKA Inline-Maschine MHD für Pulvereintrag und -benetzung 1
dem Behälterdeckel. Das erhöht nicht nur den Reinigungsaufwand zwischen der Bearbeitung unterschiedlicher Chargen, sondern steht auch einer gleichbleibenden Mischqualität im Weg. Wird dann noch Luft als Fördermedium für den Feststoff benutzt, ist mit einem ungewünschten Lufteintrag in das Mischgut zu rechnen. Im Hinblick auf den Arbeitsschutz sind Staub- und Lösungsmittelemissionen problematisch, weil sie eine potenzielle Gefährdung der Mitarbeitergesundheit darstellen. Auch in puncto Wirtschaftlichkeit kann es sich lohnen, nach Alternativen zum klassischen Chargenverfahren zu suchen. Betriebsartenbedingt werden beim Batchprozess einzelne Produktbereiche deutlich öfter behandelt, als es eigentlich nötig wäre, und andere weniger. Um über den gesamten Batch trotzdem eine ausreichende Produktqualität zu erzielen, muss entsprechend lange gemischt bzw. dispergiert werden. Dies hat neben erhöhtem Energieverbrauch auch eine stärkere Erwärmung des Produktes zur Folge. Schnittbild MHD-Modul Selbst bei kleineren Mengen werden auch aus diesen Gründen moderne kontinuierliche Pulverbenetzungsanlagen immer attraktiver. Fest und Flüssig werden eins. MHD-Anlagen zum Mischen, Homogenisieren und Dispergieren Moderne Inline-Anlagen überwinden die Nachteile des klassischen Chargenprozesses. Im kontinuierlichen Verfahren arbeitet beispielsweise die MHD-Anlage von IKA. Sie trägt die Abkürzung für ihr Leistungsspektrum bereits in ihrem Namen: Mischen, Homogenisieren und Dispergieren von festen und flüssigen Phasen in einer Passage. Einer Misch- und Dispergiermaschine vom Typ MHD werden die Produktkomponenten mengenproportional und dosiert zugeführt, dann gemischt, dispergiert und nach außen gefördert. Die Dosierung des Feststoffes erfolgt in einem einfachen Fall mittels volumetrischer Dosiereinrichtung. Die Dosierleistung ist hier vom Volumentransport pro Zeiteinheit abhängig und bleibt bei gleicher Schüttdichte und gleichmäßiger Befüllung des Dosierorgans konstant. Einlass Flüssigkeit Einlass Feststoff Fließbild MHD-Anlage Auslass Werden höhere Anforderungen an die Genauigkeit gestellt oder schwierige Stoffe gefördert, kommen gravimetrische Dosiereinrichtungen zum Einsatz. Die verschiedenen Feststoffe und damit die Dosiermengen werden über eine oder mehrere Waagen erfasst, mit den vorher eingestellten Sollmengen verglichen und bei Abweichungen mittels eines geregelten Antriebs automatisch angepasst. Die Änderung der Schüttgewichte oder Materialeigenschaften hat keinen Einfluss auf das Dosierergebnis. Damit sind Konzentrationsgenauigkeiten bis zu 0,5 Massenprozent oder noch besser möglich. Der leicht erhöhte Dosieraufwand wird mehrfach ausgeglichen. Zum einen sind nur geringe Tankkapazitäten erforderlich, zum anderen werden keine zusätzlichen Mischmaschinen benötigt. Zuführen, Dosieren, Mischen Während der Feststoff von oben in die MHD eindosiert wird, gelangt die flüssige Mischkomponente zum Beispiel mit Hilfe einer Pumpe seitlich in die Arbeitskammer der Maschine. In einem speziellen Ringraum wird die Flüssigkeit über einen perforierten Injektormantel in viele Einzelströme aufgeteilt und gezielt in einen Vormischbereich eingespritzt. Die Schwerkraft befördert den Feststoff in die Spiralflügel einer senkrecht nach unten arbeitenden Förderschnecke, die den Feststoff in den Mischbereich verbringt und dort gleichzeitig als Schleuse wirkt. Dank der patentierten Konstruktion des MHD-Moduls gelangen keine Flüssigkeitsspritzer in den Einlassbereich des Feststoffes. Das verhindert zuverlässig jede Klumpenbildung und sorgt für einen problemlosen Transport der Feststoffe in die Maschine. 2
In der Vormischzone kommen die Phasen zusammen und werden mithilfe eines speziellen Mischwerkzeugs effizient miteinander vermischt. Das mehrteilige, hochtourig drehende Mischwerkzeug erzeugt in der Mischkammer eine hochturbulente Strömung und erzielt auf diese Weise eine optimale Benetzung und Vermischung der Feststoffteilchen. Sackentleerung oder als eine komplette Fertigungslinie mit allen zugehörigen Puffer- oder Vorratsbehältern, Rohrleitungssystemen und Heiz/Kühlgeräten erhältlich. Lieferbar ist auch die komplette Mess- und Regeltechnik für einen automatischen Betrieb. Der Automatisierungsgrad kann den jeweiligen Anforderungen angepasst werden, von einer einfachen Handbedienung bis zum vollautomatischen System. Breites Anwendungsspektrum MHD-Anlagen decken ein breites Anwendungsspektrum ab. Eingesetzt werden sie unter anderem in der chemischen Industrie, im Kosmetikbereich und in der Nahrungsmittelindustrie. Das kontinuierliche, mengenproportionale Mischen ist für zahlreiche Ausgangsprodukte geeignet. Schnittmodell IKA Inline-Maschine MHD Im unteren Bereich der Mischkammer können bis zu drei Rotor-Stator-Werkzeugsysteme eingesetzt werden, um das vorbenetzte Gemisch fein zu dispergieren oder auch nass zu verkleinern. Abhängig von den eingesetzten Ausgangsstoffen lassen sich so sehr feine Suspensionen in einer Passage kontinuierlich herstellen. Über den Austragsbereich verlässt das Produkt die Arbeitskammer, wobei ein Förderdruck von bis zu 2 bar erzielt werden kann. Als flüssige Phase eignen sich beispielsweise folgende Grundstoffe: Wasser, Öle, Harze, Kerosin, Alkohole, flüssige Polymere, niedrig- bis hochviskose Dispersionen, Harnstoffschmelze, Sirup oder Lösungsmittel. Die folgenden Feststoffe werden der jeweiligen Flüssigkeit zugemischt: Stärkeprodukte, Carbopol, Aerosil, Nüsse, Ammoniumsulfat, Tonerde, Gewürzpulver, Talkum, Mineralpigmente, Beschichtungsprodukte, reaktive Pulver, Polyamidfasern, Verdickungsmittel, Cellulose, Bleicherde, Ruß, Pektin, Pellets etc. In einem kontinuierlichen Verfahren können z.b. Suspensionen mit Konzentrationen von 50% Aluminiumsilikat hergestellt werden. Im Bleichprozess der Aufbereitung pflanzlicher Öle werden das Öl und die Bleicherde mithilfe der Maschine IKA MHD 2000 in nur einer Passage zusammengeführt. Hoher Feststoffeintrag Je nach Produkt können in einer Passage bis zu 80% Feststoff eingetragen werden. Mit der MHD können hochviskose Produkte bis in den pastösen Bereich von über 50.000 mpa s hergestellt werden. Da das Produkt die Maschine nur einmal passiert, wird nur wenig Wärme eingetragen und das Produkt verweilt nur kurz in der Maschine. Dies ist insbesondere bei reaktiven Prozessen und bei schnellem Viskositätsanstieg wichtig. Die Teilchengrößen der mit dem MHD 2000 hergestellten Suspensionen sind abhängig von den eingesetzten Ausgangsmaterialien und liegen oft im Bereich zwischen ca. 10 und 100 μm. Flexibel einsetzbar Die MHD-Maschinen sind im Sterildesign für den Foodbereich erhältlich. Die hochwertige Qualität dieser Ausfertigung und die leicht zu reinigenden Komponenten sind durch das 3A-Zertifikat bescheinigt. Auf Wunsch ist die MHD-Anlage mit Silo- oder Big-Bag bzw. IKA Produktionsmaschine MHD 2000/30 3
Eine modifizierte Konstruktion der Maschine MHD wird erfolgreich in der Produktion von polymermodifizierten Bitumen eingesetzt. Hier wird ein Polymer (in der Regel Styrol-Butadien- Styrol) in das auf ca. 180 C aufgeheizte flüssige Bitumen zudosiert. Das Endprodukt ist im Straßen- und Flughafenbau sowie auch bei der Herstellung hochwertiger Dach- und Dichtungsbahnen sehr gefragt. Industrie: Petro-Chemie / Straßenbau Flüssigkeit Feststoff Endprodukt Lieferumfang Bitumen Polymer (SBS) Polymermodifizierter Bitumen für den Straßenbau Komplette Anlage zur kontinuierlichen Produktion von 35.000 kg/h Polymerbitumen IKA MHD-Anlage mit Feststoff- und Flüssigkeitsdosiereinrichtungen für einen kontinuierlichen Prozess Vorteile des kontinuierlichen Verfahrens im Vergleich zu Batch: Effizienter Energieeintrag Maschinendefinierte Produktführung Variabler, mehrstufiger Einsatz von Rotor- / Statorsystemen Enges und gut reproduzierbares Partikelspektrum Geringer Platzbedarf Flexible Produktionsmengen Keine Staub- und Lösungsmittelemissionen Unkomplizierte Reinigung Zuverlässiges Scale-Up Ideal für größere Produktionsvolumen IKA Anlage für die Produktion von polymermodifiziertem Bitumen (PmB) 4
Die Pilotanlagen von IKA geben schon im Labormaßstab ein realistisches Bild der geplanten Produktionsanlage ab. Denn sie sind bauartgleich mit den Maschinen und Anlagen, die später im Produktionsmaßstab entstehen. Scale-up Inline-Labormaschine IKA magic LAB mit Modul für Pulvereintrag In Zeiten immer kürzerer Produktzyklen wird ein effizientes Scale-up immer wichtiger. Die Übertragung von neuen Verfahren in den gewünschten Produktionsmaßstab gehört deshalb in der Prozesstechnik mittlerweile zu den wichtigsten Disziplinen. Gleichzeitig helfen PROCESS-PILOT, LABOR-PILOT und magic LAB von IKA dabei mit, die jeweils einzusetzende Verfahrenstechnik auszuwählen. Per Modulaustausch kann eine ganze Reihe von Verfahrenstechniken zum Einsatz kommen, um den konkreten Anforderungen und Rezepturen gerecht zu werden. Die erforderliche Maschinen- und Anlagengröße lässt sich dank der IKA Piloten ebenfalls gezielt definieren, ebenso wie der dafür notwendige Energiebedarf. Auch die benötigte Qualität und Menge der Rohstoffe lässt sich schon im Labormaßstab exakt bestimmen. Und die wichtigste Frage wird noch vor dem Scale-up beantwortet: Welche Qualität soll und muss das Endprodukt besitzen? So erhält der Produktionsplaner schon bei Projektbeginn ein Maximum an Planungssicherheit. Und die Gewissheit eines hochprofessionellen Mischergebnisses. IKA Pilotanlage MHD zum kontinuierlichen Vermischen von Feststoffen und Flüssigkeiten IKA - Werke GmbH & Co.KG Janke & Kunkel - Str.10 79219 Staufen Germany Tel: +49 7633 831-0 Fax: +49 7633 831-907 process@ika.de www.ikaprocess.com 5