Bei Kalziumkarbonat sind diese Eigenschaften in hohem Maße von der Herkunft und dem Produktionsprozess der einzelnen Muster abhängig. Die hier dargestellte Siebanalyse verdeutlicht den Unterschied in Partikelform, Partikelgröße und Korngrößenverteilung von zwei Kalziumkarbonatmustern. Die komplexen Wechselwirkungen machen eine klare Korrelation zwischen den Füllstoffeigenschaften auf Partikelebene und seinem Verhalten als Schüttgut unmöglich. Daher lassen sich pneumatische Fördersysteme nicht von der Stange kaufen, sondern müssen individuell auf jede Anwendung abgestimmt werden. Das unterschiedliche Fließverhalten des Schüttguts wirkt sich sowohl auf die System-auslegung als auch auf die Auswahl der Anlagenkomponenten aus. Häufig sind Labortests erforderlich, um Materialeigenschaften und Verhalten zu bestimmen. Ein pneumatisches Fördersystem besteht in der Regel aus fünf Grundbausteinen: eine Druckquelle, eine Förderleitung, eine Aufgabevorrichtung, ein Material-/Gas-Abscheider und Steuerungen.

Produktaufgabe und Förderleitung

Bei der Auswahl der Aufgabevorrichtung ist zu berücksichtigen, dass einige CaCO3-Sorten leicht und fluidisierend sind, sodass sie Förderleitungen überfluten können. Hier helfen Zellenradschleusen zur Dosierung des Materials in die Leitung. Zellenradschleusen können zur Produktaufnahme in Druck- oder Vakuumfördersystemen verwendet werden. Mit steigendem Schüttgewicht und Feinheitsgrad des Schüttgutes nimmt die Tendenz zum Anhaften zu. In diesem Fall helfen verschiedene Antihaftbeschichtungen, oder die Wahl einer Durchblaseschleuse. Bei der Durchblaseschleuse unterstützt der Förderluftstrom aktiv den Materialaustrag aus der Kammer. In schwierigen Fällen helfen Fließhilfen im Vorlagebehälter, das Schüttgut sicher auszutragen.

Kalziumkarbonatpulver können zu vielen Problemen in Fördersystemen führen, unter anderem zu Anhaftungen in Behältern, Überfluten von Förderleitungen, Anhaftungen in Förderleitungen und Überdecken von Filtern. Sehr adhäsive Varianten können in der Förderleitung Schichten aufbauen. In solchen Fällen ist ein flexibler Förderschlauch geeignet.

Durch leichte Eigenbewegung während der Förderung brechen beim Schlauch die Anhaftungen ab und werden im Förderluftstrom abtransportiert. Bei sequenziell betriebenen Vakuumfördersystemen fällt nach Beendigung der Saugzeit das Fördergut aus dem Luftstrom aus und bleibt in der Leitung liegen, bis es mit dem folgenden Saugzyklus weitertransportiert wird. Um dies zu verhindern, wird ein Leersaugventil zu Beginn der Vertikalen eingebaut. Ca. 3 bis 5 Sekunden vor Ende des Saugzykluses öffnet dieses Ventil und die vertikale Leitung wird mit Luft gespült, sodass kein Produkt darin verbleibt.

Welcher Filtertyp und welches Filtermaterial zum Einsatz kommen hängt davon ab wie köhasiv das Produkt ist. Bei stark anhaftenden Kalziumkarbonat werden PTFE beschichtete Schlauchfilter zur besseren Abreinigung empfohlen. Das Fließverhalten des Produktes bestimmt auch die Geometrie des Abscheiders. So benötigen schlecht fließenden Schüttguter einen steileren Auslaufkonus und größeren Auslaufquerschnitt. Mit dem Einsatz von Fließhilfen im Abscheider, wie zum Beispiel Vibratoren oder Fluidisierungskissen, kann eine bessere und schnellere Entleerung des Abscheiders erreicht werden.

Siebanalyse von Kalziumkarbonat

Die dargestellte Siebanalyse verdeutlicht den Unterschied in Partikelform, Partikelgröße und Korngrößenverteilung von zwei Kalziumkarbonatmustern. Bei Muster A handelt es sich um ausgefälltes Kalziumkarbonat mit relativ niedrigem Schüttgewicht, während Muster B ein Kalziumkarbonat-Granulat mit wesentlich höherem Schüttgewicht ist. Beide Produktmuster sollen mittels Vakuum kontinuierlich mit einer Leistung von 4.500 kg/h (10,000 lb/hr) gefördert werden. Aus dem Vorlagebehälter (1) wird das Kalziumkarbonat über eine Zellenradschleuse (3) mit einer Leistung von 4.500 kg/h in die Förderleitung (4) eingetragen. Der Förderweg bis zum Filterabscheider (2) beträgt 30 m horizontal, 15 m vertikal und 4 90-Grad-Bögen.

Im Filterabscheider separiert sich das Fördergut von der Luft und wird kontinuierlich über die Zellenradschleuse (3) in den Nachfolgeprozess ausgetragen. Die Vakuumpumpe (5) ist über die Vakuumleitung (4) mit dem Filterabscheider verbunden. Um die Druckverluste in der Vakuumleitung in einen vernachlässigbaren Rahmen zu halten sollte die Pumpe in einer Entfernung < 15 m vom Abscheider installiert sein.

Die Förderung der beiden extrem unterschiedlichen Kalziumkarbonatmuster ergibt eine völlig unterschiedliche Auslegung der Anlagenkomponenten – siehe Tabelle. Beide Zellenradschleusen tragen 4.500 kg/h CaCO3 in die Förderleitung ein. Im Vergleich zu dem sehr schweren Produktmuster B muss die Zellenradschleuse für Muster A mit einem Schüttgewicht von 300 kg/m3 gut den vierfachen Volumenstrom in die Förderleistung eintragen. Wie zu erwarten benötigt man für das schwere Muster eine viel höhere Luftgeschwindigkeit am Absaugpunkt im Vergleich zu dem leichten und es errechnen sich auch unterschiedliche Förderleitungsquerschnitte für die beiden Qualitäten.

Die Größe der Filterabscheider ist durch die Luftgeschwindigkeiten definiert. Der Förderluftvolumenstrom bestimmt die Filterfläche, während der Durchmesser des Abscheiders sich aus der vertikalen Luftgeschwindigkeit errechnet, bei der > 90 % des Fördergutes bereits alleine über die Schwerkraft abscheiden. Die Filterfläche ist materialspezifisch und basiert auf den Filtereigenschaften des jeweiligen Musters. Die Partikelgröße spielt eine große Rolle bei der Bestimmung der erforderlichen Filterfläche. Mit zunehmender Partikelgröße wird es immer einfacher, die Partikel aus dem Förderluftstrom abzuscheiden, und somit ist eine kleinere Filterfläche erforderlich.

Dosieren von CaCO3

Für die Auswahl des geeigneten Dosiersystems für die hier besprochenen Kalziumkarbonatmuster sind zwei Variablen maßgeblich: die Eigenschaften des Mineralfüllstoffs (z. B. Partikelgröße und -form, Gasdurchlässigkeit, Schüttgewicht und Schüttkegel) sowie die erforderliche Förderleistung. Loss-in-Weight (LIW) Dosierer bieten ein in sich geschlossenes System für Rohmaterial und Stäube, das eine optimale Dosierleistung und damit eine hohe Qualität des Endprodukts gewährleistet. LIW-Dosierer sind in verschiedenen Konfigurationen verfügbar, in denen die Trichtergröße, Dosiervorrichtung und Wägeeinheit auf die spezifischen Eigenschaften, Fließverhalten und Förderraten des Dosierguts abgestimmt sind.

Volumetrisch oder gravimetrisch dosieren

Dosierer können allgemein in volumetrische und gravimetrische Systeme unterteilt werden. Volumetrische Dosierer liefern ein bestimmtes Materialvolumen pro Zeiteinheit und stellen die in der Anschaffung günstigste Dosierlösung dar. Volumetrische Schneckendosierer können jedoch keine Schwankungen im Schüttgewicht des Materials erkennen und lassen sich nicht daran anpassen. Daher eignen sich diese Dosierer primär für frei fließende Materialien mit konstantem Schüttgewicht, wie zum Beispiel Pellets, und für Anwendungen, in denen eine garantierte Dosiergenauigkeit nachrangig ist.

Bei der gravimetrischen Dosierung wird das trockene Schüttgut mit einem konstanten Gewicht pro Zeiteinheit in den Prozess zugegeben. Die gravime-trische Dosierung gestattet eine bessere Überwachung des Dosiervorgangs, der nach Gewicht und Geschwindigkeit geregelt wird und damit eine Bestimmung des tatsächlich eindosierten Gewichts in Sekundenintervallen ermöglicht.

Größe und Geometrie des Trichters

Nachdem Größe und Art der Dosiervorrichtung festgelegt wurden, muss ein Trichter mit einer geeigneten Form und Größe ausgewählt werden. Er muss die richtige Menge Füllstoff für den kontinuierlichen Kunststoff-Compounding-Prozess aufnehmen. Behälter sind in zylindrischen, asymmetrischen und symmetrischen Formen und Größen von wenigen Litern bis zu mehreren Hundert Litern lieferbar.

Zur Dimensionierung des Dosiertrichters werden die erforderlichen Nachfüllraten und der zur Verfügung stehende Platz herangezogen. Als allgemeine Faustregel geht man von 12 Nachfüllvorgängen des Trichters pro Stunde mit einem maximalen Füllstand von 80 Prozent des Trichtervolumens aus. Ein zu groß ausgelegter Trichter sollte wegen der Mehrkosten, des Platzbedarfs und der möglichen, wechselwirkungsbedingten Materialkompaktierung vermieden werden. Die Trichtergröße wird daher anfangs anhand der folgenden theoretischen Formel berechnet:

Trichterkapazität = Förderrate / (Schüttgewicht x 0,8 x 12)
Ausgefälltes Kalziumkarbonat zeigt eine Tendenz zum Verdichten im Behälter und kann zur Brücken- und Hohlraumbildung führen. Der Actiflow-Schüttgut-Austragshilfe ist ein einfaches, effizientes Gerät, um das Schüttgut in Schwingung zu versetzen und so die Bildung hochdichter Materialansammlungen im Trichter zu verhindern.

Darüber hinaus ist ActiFlow als extern angebautes Gerät raumsparend und reinigungsfreundlich, da keine mechanischen Rührwerke im Trichter erforderlich sind. Für extrem kohäsive Materialien sind mechanische Rührwerke verfügbar.

Dosiervorrichtung und Wägeeinheit auswählen

Je nach Schüttgut können unterschiedliche Dosiervorrichtungen eingesetzt werden: Einzelschneckendosierer oder Bulk Solids Pump für frei fließende Pulver und Granulate, Doppelschneckendosierer für schwer fließende Pulver und Vibrationsrinnen für Fasern und bröckliges Material. Auch wenn Einzelschneckendosierer grundsätzlich für frei fließende CaCO3-Sorten einsetzbar sind, wird ein Doppelschneckendosierer emphohlen, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Passend für die jeweiligen Förderraten und Eigenschaften des Mineralfüllstoffs werden verschiedene Schneckenkonstruktionen angeboten. Die gängigsten Schneckenprofile sind Konkav-, Vollblatt-, Spiral- und Doppelspiralschnecken.

Aufgabe der Schnecken ist ein gleichförmiger Materialaustrag des festen Schüttguts in den Kunstoff-Compounding-Prozess. Außerdem sollen Schnecken den Materialfluss unterbinden, wenn die Schnecke angehalten ist, und damit Überflutungseffekte bei schießenden Schüttgütern unterbinden.

Die Tendenz von Kalziumkarbonat zum Kompaktieren zeigt sich auch an Metallflächen wie den Schnecken des Dosierers. Daher sind zwei ineinander greifende, synchronisiert drehende Schnecken erforderlich, die das Material abstreifen, um die Oberflächen der Schnecken sauber und frei von Materialablagerungen zuhalten.

Das Wägesystem reicht von Plattformwagen mit kleiner Kapazität bis hin zu hängenden 3-Punkt-Wägesystemen für große Volumen. Alle K Tron-Wägesysteme setzen die patentierte digitale Smart Force TransducerTM (SFT)-Wägetechnologie mit einer Wägeauflösung von 1:4.000.000 in 80 ms ein, die unempfindlich gegenüber Schwingungen und Temperaturschwankungen ist.

Viele Variable bestimmen das Verfahren

Die korrekte Auslegung pneumatischer Förder- und/oder Dosieranlagen für Kalziumkarbonate in Kunststoff-Compounding-Prozesse ist keine triviale Aufgabe, da die Fließeigenschaften des Pulvers von einer Reihe von Variablen beeinflusst werden. Die Rendite einer Kunststoff-Compounding-Anlage steht und fällt mit der richtigen Auswahl der wirtschaftlichsten Förder- und Dosierlösung. Maßgeblich beeinflusst wird diese Auswahl durch die Partikeleigenschaften, aber auch die Wechselwirkungen der Partikel mit anderen Partikel, Anlagenteilen und Umgebungseinflüssen. K-Trons erfahrene System Engineering-Gruppe verfügt über das nötige Knowhow zur Entwicklung intelligenter Lösungen für alle Anwendungen.

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Über den Autor

Iris Fischer ist Marketing Manager bei K-Tron, Niederlenz, Schweiz, IFischer@ktron.ch