Kaufratgeber für Hochschermischer: Rotor-Stator-Auswahl, Leistung und Dimensionierung

Bei einer Charge, bei der es sich um eine stabile Emulsion handeln sollte, sind nach vierzigminütigem Rühren immer noch sichtbare Tröpfchen auf einem Tauchobjektträger zu sehen, und jeder Versuch, sie durch Erhöhen der Rührgeschwindigkeit zu fixieren, erwärmt das Produkt lediglich. Das Rührwerk erfüllt seine Aufgabe – es bewegt den gesamten Tank –, erfüllt jedoch nicht das Einzige, was das Rezept tatsächlich benötigt: eine große Energiemenge in ein sehr kleines Flüssigkeitsvolumen zu bringen.

Dafür gibt es einen Hochschermischer. Die Kurzfassung vor dem Detail: Wenn Ihr Ziel eine Tröpfchen- oder Partikelgröße ist, benötigen Sie eine Rotor-Stator-Scherung; Wenn Ihr Ziel Mischen, Suspension oder Wärmeübertragung ist, reicht ein herkömmliches Laufrad für weniger Geld und weniger Wärme aus. Die enttäuschendsten Installationen mit hoher Scherung sind keine schlecht gebauten Maschinen. Sie sind die richtige Maschine, die für die falsche Aufgabe eingesetzt wird.

Was ein Hoch-Shear-Mischer tatsächlich leistet

Scherung ist ein Geschwindigkeitsgradient – der Geschwindigkeitsunterschied zwischen zwei Flüssigkeitsschichten geteilt durch den Abstand zwischen ihnen. In einem Rotor-Stator-Arbeitskopf streicht die Rotorspitze über einen in Millimetern gemessenen Spalt an einer stationären Statorwand vorbei. Eine Spitzengeschwindigkeit von 20 m/s über einen Spalt von 1 mm entspricht einer lokalen Schergeschwindigkeit in der Größenordnung von 20.000 reziproken Sekunden. Im Großteil des gleichen Tanks beträgt die Laufradaustrittszone selten mehr als einige Hundert. Diese zwei oder drei Größenordnungen sind die ganze Geschichte des Mischens mit hoher Scherung.

Energiedichte, nicht Wellengeschwindigkeit

Die Motorleistung allein verrät sehr wenig. Die Schergeschwindigkeit skaliert ungefähr mit der Geschwindigkeit der Spitze, während die Leistung in turbulenter Strömung etwa mit der Potenz der Geschwindigkeit der Spitze skaliert. Durch die Verdoppelung der Geschwindigkeit verdoppelt sich die Scherwirkung, die das Produkt erfährt, es ist jedoch ungefähr die achtfache Leistung erforderlich, und fast die gesamte zusätzliche Energie wird im Produkt in Wärme umgewandelt. Ein bescheidener Rotor-Stator-Kopf kann einen viel größeren Rührer bei der Herstellung einer Emulsion schlagen und ihm beim Mischen deutlich schaden. Die Dimensionierung muss beim Gerätebetrieb und nicht bei der Kilowattleistung beginnen.

Batch und Inline sind zwei verschiedene Maschinen

• Ein Chargenmischer mit hoher Scherung befördert den Arbeitskopf in den Behälter, normalerweise über eine Welle mit oberem Eingang. Die gesamte Charge zirkuliert viele Male durch die Scherzone, sodass das Rezept einen klaren Endpunkt hat und ein Gefäß alles erledigt.
• Ein Inline-Hochschermischer pumpt das Produkt durch eine Kammer, die den Rotor und den Stator enthält. Es kann als Einzeldurchgang oder als Rezirkulationsschleife ausgeführt werden und ermöglicht eine weitaus bessere Temperaturkontrolle, da die Scherzone jeweils nur ein kleines Produktvolumen aufnimmt.

In jedem Fall ist die Zone mit hoher Scherung klein, und der Rest des Behälters muss noch Arbeit leisten: gleichmäßige Zuführung des Produkts in den Kopf, Vermeidung toter Zonen in den Ecken und Halten von Feststoffen vom Boden. Das ist die Frage, die die Strömungsmodellierung beantwortet, bevor Stahl geschnitten wird, weshalb die auf dieser Website beschriebenen CFD-Arbeiten durchgeführt werden Serviceseite für Fluiddynamik ist normalerweise der erste Schritt in einem schwierigen Dispersionsprojekt.

Hohe Scherung versus konventionelles Rühren: Eine Entscheidungstabelle

Die meisten Spezifikationsargumente ergeben sich daraus, dass das gesamte Mischen als ein Vorgang behandelt wird. Eigentlich sind es drei Betriebe, die sich zufällig einen Tank teilen.

Nichts davon macht ein herkömmliches Rührwerk überflüssig. Für das Mischen, Suspendieren und die Wärmeübertragung ist eine richtig dimensionierte Top-Entry-Einheit die richtige Maschine. Die Kombination mit einem separaten Hochscherkopf für den Dispergierschritt ist häufig kostengünstiger und flexibler, als wenn eine Maschine beide Aufgaben abdecken muss. Einheiten wie der Top-Entry-Mischer TOPA001DR sind auf die Aufgabe des Massenflusses ausgelegt und verfügen über Dichtungs- und Lageranordnungen, die für den Dauerbetrieb und nicht für Spitzenscherkräfte ausgelegt sind.

TOPA001DR-Top-Entry-Mischer zum Mischen und Suspensionen großer Mengen Mischer der DR-Serie von oben zum Mischen, Suspendieren und Wärmeübertragen, mit vertikalem Antrieb, einfacher kompakter Struktur und Laufrad-/Dichtungsoptionen für kontinuierliche Massenflussaufgaben. Produkt anzeigen →

Abstimmung des Arbeitskopfes auf Viskosität und Feststoffe

Die Viskosität entscheidet darüber, welche Mischerfamilien überhaupt zur Verfügung stehen, denn sie steuert, ob frisches Produkt in die Scherzone fließen kann. In einem Rotor-Stator-Kopf ist der Spalt fest und eng; Wenn das Produkt nicht hineinfließt, dreht sich der Kopf einfach in einem von ihm selbst geschaffenen Hohlraum.

• Unter etwa 5.000 cP funktionieren Propeller, Turbinen mit geneigten Blättern und Inline-Rotor-Statoren. Inline-Turbinen sind normalerweise am energieeffizientesten, da eine Pumpe die Scherzone speist, anstatt sich auf den Massenstrom zu verlassen.
• Zwischen 5.000 und 50.000 cP kommen Dispergiererscheiben und Mehrstufenköpfe zum Einsatz. Stellen Sie sicher, dass das Produkt gepumpt werden kann, wenn Sie eine Inline-Schleife planen, und beobachten Sie den Motorstrom während des Starts einer abgesetzten Charge.
• Oberhalb von 50.000 cP übernehmen Rahmen-, Anker-mit-Abstreifer-, Band- und Planetengeometrie die Oberhand. Mechanische Scherung ist nicht mehr der begrenzende Faktor – die Wärmeübertragung durch einen nahezu stagnierenden Film schon, und genau darum geht es mit Schabern und Bändern.

Volumenkörper fügen eine zweite Einschränkung hinzu. Kohäsive Pulver müssen benetzt werden, bevor sie dispergiert werden können, und eine Dispergierscheibe erzeugt gezielt einen Wirbel an der Oberfläche, sodass das Pulver in die Flüssigkeit gezogen wird und nicht schwimmt. Ein Rotor-Stator-Kopf zersetzt Agglomerate sehr effektiv, sobald sie benetzt sind, er kann jedoch keine schwimmende Pigmentflotte benetzen. Für diesen ersten Schritt sind Hochgeschwindigkeitsdispergierer wie die FS1-Serie die übliche Lösung, bei der der Rotor-Stator-Kopf zur Feindispergierung nachträglich eingebracht wird.

Hochgeschwindigkeitsdispergierer der Serie TOPA005 FS1 für die Pulverbenetzung Dispergierer mit oberem Eingang der FS1-Serie zum Benetzen kohäsiver Pulver vor der Feindispergierung, mit Hochgeschwindigkeitslaufrad, kompaktem Antrieb und mehreren Dichtungsoptionen für Mischaufgaben. Produkt anzeigen →

Inline oder Batch: Entscheiden Sie sich für Wärme, nicht für Komfort

Ein Kopf mit hoher Scherung konzentriert seine Energie auf ein kleines Volumen, und diese Energie wird schließlich in Wärme umgewandelt. Bei einer Chargenanordnung durchläuft die gesamte Charge immer wieder die heiße Zone, sodass ein temperaturempfindliches Rezept beschädigt werden kann, lange bevor das Dispersionsziel erreicht wird.

Eine Inline-Schleife ändert diese Arithmetik. Da sich zu jedem Zeitpunkt nur ein kleines Volumen in der Scherzone befindet, kann die Wärme zwischen den Durchgängen durch einen ummantelten Behälter oder einen Plattenwärmetauscher abgeführt werden, und der Kreislauf kann so lange laufen, wie es das Rezept erfordert, ohne dass das Produkt gekocht wird. Inline-Einheiten lassen sich außerdem einfacher vor Ort reinigen und sind für eine kontinuierliche Produktion einfacher zu instrumentieren.

Der Kompromiss ist Flexibilität. Ein Chargenkopf kann innerhalb von Minuten angehoben, gereinigt und für ein anderes Rezept wiederverwendet werden; Ein Inline-Skid ist an eine Durchflussrate und eine Produktfamilie gebunden. Inline-Rotor-Stator-Einheiten wie der Homogenisator der ZJH-Serie basieren auf der Rezirkulationsidee – einer kleinen Scherkammer, einer Pumpe und einem Kreislauf, sodass die Temperaturregelung beim Tank und nicht beim Mischer verbleibt.

ZJH-Homogenisator der TOPH61-Serie für Cremes, Salben und Zahnpasta Patentierter ZJH-Rezirkulationshomogenisator für hochviskose Cremes, Salben und Zahnpasta mit interner/externer Zirkulation, Vakuumemulgierung und automatisierter Verarbeitung in kompakten Sanitärsystemen. Produkt anzeigen →

Was Sie vor dem Kauf angeben sollten

1. Zieltröpfchen- oder Partikelgröße sowie die von Ihnen akzeptierte Messmethode. „Fein“ und „gut gemischt“ sind keine Spezifikationen, und ein Laserbeugungsergebnis ist nicht derselbe Beweis wie ein Mikroskopbild.
2. Viskosität bei Prozesstemperatur, nicht bei Raumtemperatur. Ein Produkt, das im kalten Zustand 200 cP anzeigt, kann sich bei 70 °C ganz anders verhalten, und der Arbeitskopfspalt muss für beides passen.
3. Chargengrößenbereich und Turndown. Wenn eine Maschine 20 % der Nenncharge verarbeiten muss, bleibt die Scherzone möglicherweise nicht unter Wasser und der Motor ist möglicherweise stark überdimensioniert.
4. Spitzengeschwindigkeitsbereich, Antriebs- und Anfahrverhalten. Eine variable Frequenzsteuerung ist bei einem Hochscherkopf normal, und eine Drehmomentbegrenzung schützt die Welle, wenn eine abgesetzte Charge beginnt.
5. Medienberührte Materialien und Dichtungsstrategie. Abrasive Feststoffe, aggressive CIP-Chemikalien und Vakuumbetrieb beeinflussen die Entscheidung für eine Wellendichtung, und eine Gleitringdichtung an einem Druckausgleichstank oder Siphontank stellt eine ganz andere Serviceanforderung dar als eine einfache Lippendichtung.
6. Ein Pilotversuch mit Ihrem eigenen Produkt. Kopfgeometrie, Spalt und Statorschlitzmuster interagieren auf eine Art und Weise mit der Rheologie, die anhand von Datenblättern allein schwer vorherzusagen ist.

Wenn Sie sich eingehender mit der Geometrie des Arbeitskopfs und der Veränderung der Tröpfchengröße durch das Statordesign befassen möchten, finden Sie auf der Website einen eigenen Überblick über Emulgatordesign mit hoher Scherwirkung behandelt die praktischen Details.

Häufig gestellte Fragen zu Hochschermischern

Die Regel, die den Kontakt mit realen Projekten überdauert, ist einfach: Entscheiden Sie, welche Einheitsoperation Sie kaufen – Fließen, Dispergieren oder Emulgieren – und kaufen Sie eine Maschine, die in dieser einen Sache gut ist. Mischprobleme bleiben selten gelöst, wenn von einem einzelnen Arbeitskopf verlangt wird, in allen drei Bereichen hervorragende Leistungen zu erbringen.