Bei der Konstruktion und Auslegung von Geräten und Systemen zur Handhabung von pulverförmigem Material in der Prozessindustrie stehen Ingenieure vor zwei besonderen Herausforderungen: Zum Einen ist die Prozessindustrie extrem vielseitig. Anwendungen reichen von Benzin und Petrochemie über Feinchemie bis hin zu Nahrungsmitteln und Getränken, Arzneimitteln, Kunststoffen, Pigmenten, Reinigungsmitteln, Düngemitteln und vielen anderen Produkten. In jeder Branche gibt es spezifische Anforderungen und Einschränkungen. Alle Anwendungen basieren auf chemischen, thermischen und mechanischen Prozessen und nutzen die gleichen technischen Verfahren zur Herstellung von fertigen Produkten aus Rohstoffen. Das Materialhandling und die dafür erforderlichen Systeme sind jedoch sehr häufig branchenspezifisch.

Die zweite Problemstellung ist das häufig ungünstige Verhalten von Pulvern und anderen Schüttgütern. Beim Transport von Schüttgut und Pulvern zeigen sich Herausforderungen für Gerätehersteller und Ingenieure, die bei flüssigen Einsatzstoffen schlichtweg nicht vorhanden sind. Noch deutlicher werden diese Unterschiede bei der kritischen Dosierung und Regelung des Zulaufs in den Prozess.

Das Verhalten variiert

Je nach Betriebsumgebung, Art und Weise der Handhabung und vorgesehener Verwendung kann sich das Verhalten von Pulvern bei einem einzigen Material vom Positiven zum Negativen ändern. Das Verhalten variiert dabei, je nachdem, welche chemischen und physikalischen Materialeigenschaften gegeben sind. Die Art des jeweiligen Materials (Granulat, Pulver, Pellets oder Flocken) wirkt sich auf das Fließverhalten aus, welches wiederum einen erheblichen Einfluss auf die richtige Konstruktion der Lagerbehälter, Trichter, Dosierer und Fördersysteme hat.
Werden die Systeme nicht entsprechend konstruiert, kann sich ein problematisches Pulververhalten negativ auf alle am Prozess beteiligten Stoffe auswirken; von den Rohmaterialien über die Zwischenprodukte bis hin zu den fertigen Produkten. Im günstigsten Fall handelt es sich um leicht fließende Materialien wie Kunststoffgranulate, deren Förderung und Beschickung von nahezu jeder Art von Austragsvorrichtung durchgeführt werden kann. Aber in vielen Prozessen kommt mindestens eine dieser anspruchsvollen Materialsorten vor.

Fließfähige Materialien wie Gips und Kieselgur, die sich wie Wasser verhalten können, wenn sie während der Trichterentladung und Beschickung nicht korrekt gesteuert werden. Schwer fließende Materialien wie Glasfasern und Gummipartikel erfordern häufig spezielle Dosiererkonstruktionen und Austragshilfen (Vibratoren, mechanische Rührwerke, Auflockerungsgebläse oder Behältereinsätze). Kohäsive Materialien wie Titandioxid und Pigmente neigen zur Brückenbildung im Trichter und haften an allem, mit dem sie in Berührung kommen. Bei so vielen Variablen, die einen erfolgreichen Ablauf eines Prozesses gefährden können, sind sachkundige Systemingenieure gefragt, die in allen Stadien des Entwicklungsprozesses die richtigen Entscheidungen zur Handhabung von Schüttgütern treffen. Die falsche Auswahl von Komponenten oder technischen Systemen zur Lagerung, Beschickung und Förderung kann zu einem unberechenbaren Materialverhalten führen, von Verstopfungen bis hin zu unkontrolliertem Materialfluss.

Herz eines Materialtransportsystems

Die Hersteller von Prozessanlagen haben eine Bandbreite von Beschickungslösungen, um die vielen Herausforderungen bei der Handhabung trockener Schüttgüter zu bewältigen. Die Auswahl des Dosierers richtet sich nach den Eigenschaften des zu fördernden Materials, der Genauigkeit der für diesen Prozess erforderlichen Rezeptur und dem erforderlichen Durchsatz. Es gibt keine Dosiererkonstruktion oder Dosierergröße, die allen in einem typischen Prozess vorkommenden Anforderungen an die Materialeigenschaften oder den Durchsatz entspricht. So werden leicht fließende Materialien wie Kunststoffgranulat, Granulat und Flocken am häufigsten mit einem Einzelschneckendosierer zugeführt. Für die verschiedenen Materialeigenschaften und gewünschten Fördermengen ist eine Vielzahl von Schneckengrößen und -geometrien verfügbar. Bulk Solids Pump (BSP)-Dosierer sorgen auch für eine schonende, präzise Beschickung mit frei fließenden Materialien.

SP-Dosierer nutzen ein patentiertes Prinzip der formschlüssigen Verdrängung bei der außergewöhnlich präzisen Förderung frei fließender Materialien. Fließfähige Materialien, darunter fein gemahlene Materialien wie Gips und Kieselgur, können sich wie Flüssigkeiten verhalten, wenn sie während der Trichterentladung und Beschickung nicht korrekt gesteuert werden. Hierbei ist ein Dosierer mit ineinandergreifenden Doppelschnecken oftmals die beste Wahl. Die ineinandergreifenden Schneckenstege wirken dabei wie ein Ventil bei der Steuerung des Materialflusses.

Bei schwer fließenden Materialien wie Glasfasern und Gummipartikel sind häufig spezielle Dosiererkonstruktionen sowie andere Austragshilfen zur besseren Steuerung des Austrags während der Beschickung erforderlich. Da gibt es viele unterschiedliche Dosierungsmöglichkeiten, wobei meist Schneckendosierer und Vibrationsdosierer werden. Kohäsive Materialien wie Titandioxid, Pigmente und Kupferkonzentrate stellen während des Prozesses eine zusätzliche Herausforderung dar. Sie sind besonders anfällig für eine Brückenbildung innerhalb der Trichter und neigen zur Anhaftung und Akkumulation an den Anlagenoberflächen. Für diese Materialien eigenen sich Doppelschnecken-Dosierer mit Trichter-Rührwerken. Das Fehlen einer konsistenten Dosiergenauigkeit und Reproduzierbarkeit in Ihrem Prozess beeinträchtigt die Integrität der Rezeptur und somit die des Endprodukts. Dies hat eine direkte Auswirkung auf die Zuverlässigkeit des Systems, den Produktertrag und die ökonomische Leistungsfähigkeit des gesamten Arbeitsvorgangs.

Volumetrische oder gravimetrische Dosierer

Die erste Frage, die bei der Planung eines Dosiersystems beantworten werden muss, ist ob volumetrisch (Austrag nach Volumen) oder gravimetrisch (Austrag nach Gewicht). Von allen Punkten, die bei der Auswahl des Dosiersystems berücksichtigt werden müssen, hat dieser Aspekt die größten Auswirkungen auf die Prozessleistung und den finanziellen Erfolg. Volumetrische Dosierer bewahren das Schüttgut in Trichtern auf und tragen einzelne Mengen des Materials in den Prozess pro Zeiteinheit aus. Zur Steuerung der Dosierung sind in diesem Fall keine Gewichtsinformationen verfügbar, außer die Dosierer sind in ein Gain-in-Weight-Chargendosierungssystem (GIW) integriert. Volumetrische Dosierer eignen sich für Materialien mit einem konstanten Schüttgewicht und für Prozesse, in denen keine genaue Steuerung der Dosierung erforderlich ist. Gravimetrische Dosierer (Differential-Dosierwaagen und Dosierband-Waagen) tragen Material nach Gewicht pro Zeiteinheit aus. Diese Systeme sind ausgereifter und daher komplex und integrieren ein Dosierer-Austragsystem (die mechanische Ausführung) mit einem Gewichtserkennungsmodul (Waage) und einer Prozesssteuerung. Die aktive Überwachung des Dosierprozesses beinhaltet einen Regelkreis, über den das System den Materialfluss während des gesamten Prozesses genau steuern kann.

Volumetrische Dosierer sind zwar einfacher aufgebaut und günstiger als ihr gravimetrisches Pendant, jegliche Abweichung bei der Materialdichte oder im Flussverhalten kann jedoch zu kurzfristigen Abweichungen bei der Menge des ausgetragenen Materials führen. Beide Systeme messen und steuern den Materialfluss nach Gewicht, gravimetrische Dosierer ermöglichen jedoch genauere und zuverlässigere Ergebnisse. Gewichtsdosierer sind ein wesentlicher Bestandteil von Prozessen, bei denen es für eine genaue Rezeptformulierung auf eine exakte Dosierung ankommt. Nur Gewichtsdosierer können eine momentgenaue Dosierung und Reproduzierbarkeit gewährleisten – auch für Materialien, die zu ungünstigem Verhalten tendieren.

Schüttgüter-Dosierwaagen-Transfer

Für den Transport von trockenem Schüttgut in der gesamten Prozessanlage stehen verschiedene Optionen zur Verfügung. Die physikalischen Eigenschaften des Materials und der Anlagenumgebung bestimmen dabei das passende Fördersystem. Für viele Anwendungen sind pneumatische Fördersysteme eine interessante Lösung. Pneumatische Fördersysteme arbeiten mit Differenzialdruck in einer Rohrleitung und verwenden in der Regel Luft, um die Schüttgüter einzuspeisen. Anschließend wird der Materialstrom aus einem Bereich mit höherem Druck in einen Bereich mit geringerem Druck transportiert. An einer Seite der Rohrleitung kann Druckluft eingeleitet werden, um das Material durch die Förderleitung zu drücken, oder es kann ein Vakuum-Inducer verwendet werden, um das Material durch die Förderleitung zu saugen.

In pneumatischen Fördersystemen wird als Gas meistens Luft verwendet. Bei potentiell entflammbaren Materialien oder wenn das Risiko einer Staubexplosion besteht, ist ein Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff, erforderlich. Bei Nahrungsmittel-Produkten, die an Geschmack verlieren, wenn sie Luft ausgesetzt sind, muss ebenfalls ein Inertgas verwendet werden. Pneumatisch Fördersysteme können in Dünnstrom-Fördersysteme (geringer Druck) oder Dichtstrom-Fördersysteme (hoher Druck) eingeteilt werden. Dünnstrom-Fördersysteme haben ein relativ hohes Luft-Schüttgut-Verhältnis und nutzen Über- oder Unterdruck, um Materialien mit relativ hoher Geschwindigkeit zu transportieren.

Dichtstrom-Fördersysteme sind so konzipiert, dass höhere Konzentrationen von Schüttgut mit geringer Geschwindigkeit transportiert werden. Derartige Systeme transportieren langsam aufeinanderfolgende Pfropfen des Produkts, um die Qualitätsverschlechterung während des Transports zu minimieren. Sowohl Saugfördersysteme als auch Druckluftfördersysteme können für den Betrieb das Prinzip der Dünnstrom-Förderung oder Dichtstrom-Förderung verwenden. Beide Systeme haben Vorteile und die Wahl der optimalen Fördermethode hängt von Ihren Anwendungsanforderungen ab.

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Über den Autor

Don Dunnington ist Director of Internet and Marketing Communications bei Coperion K-Tron. ifischer@ktron.ch