Die Dosis im Griff

Reaktionsfreudige Pulver in Reaktoren automatisch dosieren

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10.04.2013 War es jetzt zu viel oder zu wenig? Das Beschicken von Reaktoren und großen Kesseln mit genau dosierten Mengen giftiger oder reaktionsfreudiger Pulver stellt für viele Verfahrenstechniker in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eine Herausforderung dar.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Die Kombination aus moderner, auf Wägezellen basierender Wägetechnik und einer abgeschirmten, hygienischen Dosiererkonstruktion stellt die ideale Lösung für eine automatisierte Pulverdosierung und -beschickung dar.
  • Über die im Einzelfall jeweils am besten geeignete Art der Dosierung - LIW oder GIW - entscheiden die Faktoren Chargengröße, Anzahl der verschiedenen Substanzen, Eigenschaften dieser Stoffe sowie die erforderliche Dosiergenauigkeit.

Differenzial-Dosierwaagen – auch bekannt unter der Bezeichnung LIW-Dosierer (Loss in Weight) – ermöglichen Anwendungen, die eine präzise, abgeschirmte, vollautomatische Dosierung und Zuführung problematischer Substanzen erfordern. Die Kombination aus modernster, auf Wägezellen basierender Wägetechnik und einer abgeschirmten, hygienischen Dosiererkonstruktion stellt die ideale Lösung für die automatisierte Pulverdosierung und -beschickung dar, denn die mit konventionellen, manuellen Pulverbeschickungsverfahren verbundenen Risiken und Unzulänglichkeiten gehören damit der Vergangenheit an (Bild 1).

Anwendungs- und Verfahrensdetails
Die Bilder 2 und 3 veranschaulichen, wie unkompliziert sich mit Differenzial-Dosierwaagen das Beschicken eines Reaktors, Kessels oder großen Prozessbehälters mit Pulvern gestaltet. Bild 2 zeigt konkret einen einzelnen Dosierer samt direkt darüber montiertem Saugabscheider zur Emporförderung der Pulver vom Bodenniveau aus. Bild 3 hingegen demonstriert die Möglichkeit, zur Versorgung des Dosier- und Beschickungssystems oberhalb des Dosierers zu montieren. Außerdem ist der Einsatz einer weiteren, kompakteren Differenzial-Dosierwaage auf einer mobilen Waage zum Beschicken des Kessels mit noch geringeren Mengen eines zweiten Pulvers zu erkennen.
Um maximale Flexibilität zu gewährleisten, sind alle Chargendosierer mit einem speziellen, schienenbasierten Laufrollensystem ausgestattet. Dies erlaubt es, Dosierer je nach Bedarf hin und her zu bewegen. Einer der beiden Dosierer ist – wie bei größeren Chargen üblich – per 3-Punkt-Aufhängung am Wägezellenrahmen befestigt, während der andere, für deutlich kleinere Schüttgutmengen verwendete Dosierer auf einer Waage montiert wurde. Das auf Effizienz getrimmte, auf dem Chargendosierer-Steuerungsmodul KCM installierte Dosierprogramm lässt so lange Schüttgut im schnellen Fließmodus aus dem Dosierer ab, bis das Gewicht des so dem Prozess zugeführten Schüttguts 90 % des anvisierten Sollgewichts der Charge erreicht. Sobald der Dosierer von der Steuerung das entsprechende Gewichtssignal erhält, wird er automatisch in einen langsameren Rinnmodus gefahren, um das exakte Dosieren des vorgegebenen Sollgewichts zu gewährleisten.

Warum die Differenzial­dosierung (LIW)?
Über die im Einzelfall jeweils am besten geeignete Art der Dosierung – d. h. nach dem Prinzip entweder der Gewichtsabnahme (LIW) oder der Gewichtszunahme (GIW) – entscheiden die Faktoren Chargengröße, Anzahl der verschiedenen Substanzen, Eigenschaften dieser Stoffe sowie die erforderliche Dosiergenauigkeit. Die beim Dosieren mit Differenzial-Dosierwaagen erwartende Genauigkeit bewegt sich im Bereich von ± 0,5 % des maximalen Gesamtgewichts aller gewogenen Komponenten. Mit anderen Worten, bei der dosierten Abgabe einer Substanz in den auf einer Waage montierten bzw. an einer Wägezelle aufgehängten Reaktor oder Behälter muss das Gewicht sowohl des Behälters bzw. Reaktors als auch dessen Inhalts im maximalen Gesamtgewicht berücksichtigt werden.
Die meisten Bodenwaagen oder Wägezellen für hohe Gewichte bieten nicht die erforderliche Geschwindigkeit und Auflösung, um im Vergleich zum hohen Gesamtgewicht von Kesseln, Reaktoren oder Prozessbehältern relativ geringe Dosen an Substanzen richtig zu erfassen. Ist bei Pulvern eine Dosiergenauigkeit in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 % erforderlich, so finden in der Regel auf digitalen Hochgeschwindigkeits-Wägezellen mit einer Auflösung von 0,25 ppm montierte Differenzial-Dosierwaage Verwendung.

Bedeutung des Wägesystems für die Leistung der Waage
In der Verfahrenstechnik ist die Steuerungseinheit eines Differenzialdosierers auf die präzise Hochgeschwindigkeitserfassung jeglicher Änderungen des Schüttgutgewichts angewiesen, um den Dosierer optimal steuern und so für höchste Leistung sorgen zu können. Darüber hinaus muss das Wägesystem in der Lage sein, durch Vibrationen und sonstige Störungen der Anlage verfälschte Messwerte herauszufiltern und auch bei schwankender Raum- oder Schüttguttemperatur den zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Bei Differenzialdosierern kommen üblicherweise zwei Arten von Wägetechnik zum Zuge: analoge Messung per Dehnungsmessstreifen und digitale Messung per Drahtoszillation (Bild 4).
Der Schlüssel zu einer genauen Chargendosierung liegt in einer höheren Auflösung der Gewichtsmessung. Und je schneller diese Gewichtsmessungen erfolgen, umso nützlicher sind die dem Steuerungsalgorithmus gelieferten Informationen und umso zuverlässiger funktioniert der Algorithmus zum Herausfiltern von Vibrationen.

Präzise Chargendosierung dank SFT-Technologie zur Gewichtsmessung
Bei den Wägezellen kommt eine auf Drahtoszillation beruhende Messtechnik zum Einsatz. Diese Technik basiert auf dem Umstand, dass die Resonanzfrequenz eines oszillierenden Drahts von dessen Spannung infolge einer Zugbelastung abhängt. Die aus der Masse des zu wiegenden Objekts resultierende Gewichtskraft wird mechanisch auf den Draht übertragen. Das Ermitteln des Gewichts erfolgt durch das Messen der Resonanzfrequenz des Drahts. Der im Smart Force Transducer (SFT) integrierte Mikroprozessor wandelt dieses Frequenzsignal direkt in ein digitales Gewichtssignal um. Dieses wird dann per RS485 ohne jegliche Verfälschungen an die KCM-Steuerungseinheit übertragen.
Die aktuelle Version des Smart Force-Transducer ist nun noch leistungsfähiger, denn inzwischen kommt ein neuer, eigens hierfür entwickelter Mikrochip zum Einsatz, der ein ununterbrochenes Messen und digitales Filtern mit noch höheren Abtastfrequenzen erlaubt. Das neue System ist in der Lage, unter Verwendung einer 30-MHz-Referenzfrequenz die dem Gewicht entsprechende Resonanzfrequenz in einer ganzzahligen Anzahl an Messperioden zu erfassen, ohne dass hierbei auch nur ein einziger Signal­impuls verloren ginge. Diese Technik ermöglicht eine kontinuierliche Gewichtsmessung.

Systemausführung – Optionen bezüglich
Reinigung und Konstruktion

Je nach Art der Pulver und Frequenz der Chargendosierung steht die Ausrüstung in diversen Ausführungen zur Verfügung, so dass sich die Anzahl der zum Reinigen oder Umrüsten erforderlichen Schritte weiter reduzieren lässt. Komponenten mit Kontaktflächen können in verschiedenen oberflächenbehandelten Edelstahlausführungen geliefert werden, die eine mühelose Reinigung sowie optimale Korrosionsbeständigkeit gewährleisten. Zudem besteht die Möglichkeit der Montage von Doppelabsperrklappen an den Schüttgutauslässen mit dem Ziel einer vollständigen Abschirmung des Pulvers beim Entfernen des Dosierers vom Prozessbehälter oder Reaktor am Ende eines Dosiervorgangs.
Fazit: Das präzise Wiegen der Substanzen und die zuverlässige Übergabe der optimalen Charge an den Prozess ohne manuelle Eingriffe seitens der Bediener bieten eine Reihe von Prozessvorteilen, beispielsweise verbesserte Produktqualität oder Einsparungen bei den Produktionskosten. Ferner trägt der Einsatz von Geräten und Systemen mit hochgenauen Wäge- und Dosierfunktionen für wertvolle und somit entsprechend teure, unter Umständen sogar giftige Substanzen – wenn das Vergeuden derartiger Stoffe minimiert wird – zur Senkung der Gesamtkosten bei.

Powtech 2013 Halle 4 – 259

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Heftausgabe: April 2013
Sharon Nowak, Global Business Development Manager K-Tron

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Sharon Nowak, Global Business Development Manager K-Tron
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