Nachschlag mit Akribie

Kontinuierliche Befüllung von Schüttgutdosierern

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27.11.2009 In der Chemie sind Kontiprozesse seit langer Zeit eine bevorzugte Herstellungsmethode. Die kontinuierliche Beschickung von Dosierern über pneumatische Systeme ist dort gängige Praxis. Aber auch in der traditionell auf Chargenverfahren ausgerichteten pharmazeutischen Industrie wird diese Technik mehr und mehr eingesetzt.

Die Nachfüllmethode von Differenzialdosierwaagen (LIW) für kontinuierliche Prozesse wie Mühlen, Mischer, Granulatoren und Extruder ist nahezu genauso wichtig, wie die Auswahl der richtigen Dosiertechnologie. Die Steuerung des Dosiersystems kontrolliert den Gewichtsverlust des Systems pro Zeiteinheit, welcher der Dosierrate entspricht. Der Dosiertrichter, ein integraler Teil des Differenzialdosiersystems, muss dazu mit Material nachgefüllt werden. Eine kontinuierliche Versorgung des Dosiertrichters würde dem Messverfahren die Grundlage entziehen, da der Masseverlust nicht mehr festgestellt werden könnte. Der Dosiertrichter muss daher nicht kontinuierlich, sondern periodisch und schnell gefüllt werden.

Richtig Nachfüllen bedeutet eine definierte Materialmenge in vorgegebener Zeit in die Differenzialdosierwaage einzutragen. Je kürzer die Nachfüllzeit um so besser ist das Verhältnis zwischen volumetrischer und gravimetrischer Betriebszeit der Dosierwaage.
Das Nachfüllventil muss dicht und nachrieselfrei schließen, um die Messung der Gewichtsabnahme im gravimetrischen Betrieb nicht zu stören. Am besten das Ventil schließt schlagartig, denn ein langsames Schließen kostet nur wertvolle gravimetrische Dosierzeit.

Was ist eine akzeptable Nachfüllzeit?

Als Faustregel sollte die Nachfüllzeit nicht mehr als 10% der Betriebszeit betragen. Dies bedeutet anders ausgedrückt, dass die Nachfüllleistung ca. 10 mal größer als die Dosierleistung ist. Bei kleiner Dosierleistung ist dieses Verhältnis 1:10 sehr einfach zu realisieren. Bei mittleren und hohen Dosierleistungsbereichen mit mehreren Tonnen Durchsatz pro Stunde kann die Nachfüllung jedoch zur technischen Herausforderung werden.

Passend zur Nachfüllleistung und Schüttguteigenschaft gibt es eine große Auswahl vom Absperrarmaturen, angeflanscht am Auslauf des Nachfüllbehälters. Typische Vertreter sind hier Drehklappenventile oder Flachschieber. Für Anwendungsfälle, in denen das Nachfüllfenster sehr genau eingehalten werden muss, bzw. das Schüttgut durch wechselnde Fließeigenschaften keinen freien Ausfluss aus dem Nachfüllbehälter oder Silo, kontrolliert durch eine Absperrarmatur, erlaubt, werden Förderschnecken oder Zellenradschleusen eingesetzt. Bei kleinen Dosierleistungen mit hoher Genauigkeitsanforderung und schwierigen Schüttgütern, werden oft volumetrische Dosiergeräte zum Nachfüllen verwendet.
Lassen es die Platzverhältnisse im Betrieb nicht zu, Nachfüllbehälter oder Silos einzusetzen, so werden Differenzial-Dosierwaagen häufig aus Vakuumabscheidern heraus direkt befüllt. Diese Methode eignet sich auch für schwer beherrschbare Schüttgüter, da der Abscheider nur das Volumen einer Nachfüllung fasst und die Gefahr des Überfüllens des Wiegebehälters somit minimiert ist. Je nach Schüttguteigenschaft gibt es die passenden Abscheiderausführungen für Pulver oder Granulat.

Vakuumförderer: robust und einfach

Zumeist sind die Vakuumfördersysteme für die Dünnstromförderung ausgelegt. Dieses ist ein robustes und für das Gros der Schüttgüter einfach zu handhabendes Förderprinzip. Förderluft und Schüttgut werden an der Produktaufgabe gemeinsam eingesaugt und zum Abscheider transportiert. Hier separiert man das grobe Fördergut mittels Schwerkraft oder Zykloneffekt von der Förderluft, der Fein- und Staubabteil wird über Filter abgeschieden.

Vakuumabscheider zur direkten Dosierwaagennachfüllung unterscheiden sich in wesentlichen Ausführungsdetails, sowie im Ablauf des Förderzykluses, von einem Standardabscheider, der für reine Förderanwendungen eingesetzt wird. Das erste Unterscheidungskriterium ist das Empfangsvolumen und das Austragsventil.
Im Gegensatz zur reinen Förderanwendung definiert das maximale Nachfüllvolumen der Differenzial-Dosierwaage das Empfangsvolumen des Abscheiders und nicht die Förderleistung. Dieses Volumen an Fördergut muss im Abscheider gepuffert werden bis die Dosierwaage Signal zur Nachfüllung gibt. Das bedeutet für die Ausführung des Austragsventils, dass hier nur eine aktiv gesteuerte Absperrarmatur, wie z. B. eine Drehklappe oder ein Flachschieber, in Frage kommt. Neben dem gesteuerten Austrag muss die Armatur vakuumdicht sein, denn eine Leckage am Austrageventil könnte einen leichten Unterdruck im Wiegebehälter der Dosierung erzeugen und somit das Gewichtssignal verfälschen.
Sollte das frei programmierbare Nachfüllfenster der Waage kleiner dem Abscheidevolumen eingestellt sein, so wird eine Restmenge im Abscheider verbleiben. In diesem Fall überfüllt man den Abscheider bei fix programmierter Förderzeit nach wenigen Förderzyklen. Ein Grenzstandschalter verhindert die Überfüllung, indem er den Saugzyklus vor Ablauf der Förderzeit unterbricht. Nach jeder Nachfüllung ist der Grenzstandschalter unbedeckt und generiert einen erneuten Förderzyklus (siehe Prozessdiagramm).
Typisches Material, das gefördert wird, enthält oft vorgemischte bzw. vermengte Kombinationen von Wirkstoffen, Granulaten oder Chemikalien. Je nach Herkunft der Bestandteile kann das Material in Säcken bzw. Großpackmitteln, flexiblen Containern, Big-bags oder Fässern bzw. Kisten angeliefert werden. Die Methode der Materialaufnahme und Zustellung wird oft durch Platzbeschränkungen, Ergonomie, Materialflusseigenschaften und auch Anforderungen zur Produkt-/Prozessisolierung bestimmt. Wenn zum Beispiel ein Material mit hoher Wirksamkeit und niedriger maximaler Arbeitsplatzkonzentration (OEL) zugestellt wird, sind Aufnahmebehälter oder Andockstellen typischerweise mit Doppelklappensystemen ausgestattet. Dies stellt sicher, dass das Produkt beim Andocken und Entkoppeln die Umwelt nicht belastet.
In jedem dieser Szenarien muss der gesamte Weg der Produktaufgabe in die Förderleitung in Betracht gezogen werden. Bei einfacher Aufnahme durch eine Sauglanze, die in einen Behälter getaucht wird, ist beim Design der Sauglanze darauf zu achten, dass die Auskleidung des Behälters nicht mit dem Produkt eingesaugt wird.
Geschieht die Materialaufgabe in das Fördersystem aus einem Big-bag, so ist darauf zu achten, dass im Absaugbehälter unterhalb der Big-bag-Entleerstation ausreichend Material gepuffert wird, um genügend Zeit zum Wechsel der Big-bags zu bieten.
Empfehlenswert ist bei der Auslegung einer Förderanlage, gemeinsam mit dem Fördertechniklieferanten den gesamten Verarbeitungs- und Materialflussprozess zu hinterfragen. Nur so kann man sicherstellen, dass die Förderanlage den Anforderungen des Betriebs entspricht.

Dünnstromförderung oder Dichtstromförderung

In besonderen Fällen, in denen ein kontinuierlicher Prozess mit vorgemischtem Material versorgt wird, kann es sinnvoll sein, eine Dichtstromförderung anstatt einer Dünnstromförderung zu verwenden. Der Dünnstrom sollte verwendet werden, wenn die Entmischung oder Abnutzung des Materials kein Problem darstellt. Gas-/Luftgeschwindigkeiten in einem 3“-Rohr können zwischen 15 und 30m/s liegen. In Anwendungen mit Dichtstromförderung werden nur Geschwindigkeiten zwischen 4 und 9m/s erreicht. In den meisten Anwendungen wird Luft als Transportgas verwendet. In manchen Industrien wird häufig Stickstoff verwendet, da er inertisierende Eigenschaften und einen natürlichen Reinheitsgrad hat.

Durch die niedrigere Gasgeschwindigkeit bei der Dichtstromförderung wird das Pulver oder Granulat viel schonender angeliefert. Diese sanfte Methode reduziert auch Filterprobleme, die oft beim aggressiveren Betrieb mit Dünnstromförderung vorkommen. Es ist jedoch zu beachten, dass die Dichtstromförderung unter Vakuum ihre Grenzen hat. Dazu gehören Förderwege von über ca. 20m und Materialien, die klebrig oder hygros-kopisch sind oder aus so großen Partikeln bestehen und deshalb nur schwer Pfropfen bilden.
Die Dichtstromförderung hat per Definition ein höheres Feststoff zu Luft Verhältnis. Die Kraft zur Fortbewegung des Fördergutpfropfens im Rohr wird über den Differenzdruck erzeugt, welcher sich über die Pfropfenlänge bei Durchströmung mit Förderluft bildet. Für Dichtstromförderanlagen benötigt man Pumpen die ein möglichst hohes Vakuum erzeugen.
Fazit: Bei der Auslegung eines kontinuierlichen Prozesses mit gravimetrischer Differenzialdosierwaage sind sorgfältige Planung und Integration aller Nachfüllsysteme zwingend notwendig, um negative Auswirkungen auf die Dosiergenauigkeit und die weitere Prozessqualität zu vermeiden. Die Verwendung von pneumatischen Saugförderern ermöglicht einen staubfreien und wirksamen Transport zum Nachfüllen bei kontinuierlichen Prozessen.

Heftausgabe: November 2008
Sharon Nowak , Business Development Manager Food & Pharmaceutical, K-Tron

Über den Autor

Sharon Nowak , Business Development Manager Food & Pharmaceutical, K-Tron

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