Pneumatische Dichtstromförderung: Ist sie für Ihren Prozess geeignet?

Brandon Dohn, Global Industry Applications Manager, Coperion K-Tron | 21. Juli 2023

Eine äußerst beliebte Methode zum Transport großer Schüttgutmengen ist die pneumatische Förderung. Dies sollte keine Überraschung sein, da es gegenüber verschiedenen mechanischen Gegenstücken zahlreiche Vorteile bietet, darunter geschlossene Rohrleitungen, geringer Wartungsaufwand, minimale bewegliche Teile und die Möglichkeit für potenzielle Systeme, komplexe isometrische (Rohr-)Routen zu überwinden, insbesondere bei großen Entfernungen. Mit pneumatischen Fördersystemen kann das Überwinden von Hürden bei der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften im Zusammenhang mit bestimmten Gefahren oder Branchen weniger umständlich sein.

Gelegentlich entbrennt sowohl für Fachleute im Umgang mit Feststoffen als auch für Endanwender die Debatte: „Förderung mit verdünnter Phase oder Förderung mit dichter Phase?“ Obwohl die Antwort nie einfach ist, wird die Schlussfolgerung oft gezogen, bevor mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die sich über Jahre hinweg nachhaltig auf den Betrieb Ihrer Anlage auswirken werden. In diesem Artikel werden kurz der Unterschied zwischen den beiden Modi, die oft genannten Gründe für die Wahl der dichten Phase und die potenziellen Fallstricke erläutert, die oft unbemerkt bleiben und zu genau dem Ergebnis führen, das Prozessoren von Anfang an beseitigen wollten: schlechte Leistung und hohe Betriebskosten .

Beginnen wir mit der Definition der traditionellen Arten der pneumatischen Förderung. Die Dünnphasenförderung, auch Magerphase genannt, ist eine Methode des Feststofftransports, bei der Partikel durch das Transportgas vollständig suspendiert werden, während sie durch eine geschlossene Rohrleitung geblasen oder abgesaugt werden (Mills, PCDG, 2. Ergänzung). Um diese Förderart zu erreichen, muss eine ausreichende Gasgeschwindigkeit vorhanden sein, die in der Regel über 20 m/s liegt. Ein einzigartiger Vorteil dieser Förderart besteht darin, dass nahezu jedes Schüttgut mit dieser Methode zuverlässig transportiert werden kann. Wenn man diese Förderphase mit ihrer Ergänzung vergleicht, ist der größte Nachteil die erforderliche Geschwindigkeit, um eine stabile Förderung zu erzeugen. Im Vergleich dazu kann die Förderung in verdünnter Phase große Luftmengen erfordern, und daher können große Luftmengen einen proportional direkten Einfluss auf die erforderliche Leistung haben. Darüber hinaus haben Geschwindigkeiten im Allgemeinen einen mathematisch quadratischen Einfluss auf die Erosion und den Abrieb der Förderleitung (Klinzing 1989).

Die Dichtstromförderung wird oft als das Gegenteil der Dünnstromförderung definiert. Das bedeutet, dass die in der Rohrleitung geförderten Partikel nicht vollständig im Gas suspendiert sind und der Strömungsmodus entweder als bewegliches Bett oder in einzelnen Kolben erkennbar ist, deren Durchmesser dem der Förderleitung entspricht und zwischen den einzelnen Pfropfen Gashohlräume aufweist. Dieser Modus wird durch eine geringere Fördergasmenge und letztendlich eine geringere Leitungsgeschwindigkeit erreicht, was zu einem geringeren Verschleiß an Rohrleitungen und Komponenten führt. Auch die Erzeugung geringerer Fördergasmengen kann zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs führen und die Integrität des transportierten Produkts erhalten. Die Dichtstromförderung wird häufig für den Einsatz bei Materialmischungen und -mischungen gefördert, um ein als Entmischung bekanntes Phänomen zu minimieren, bei dem es sich um die Entmischung von Massenmischungen handelt.

Beim ersten Blick auf die beiden Definitionen könnte man zu dem Schluss kommen, dass die Dichtstromförderung eindeutig die bessere Methode für den Transport von Schüttgütern in einer Pipeline ist. Während dies sicherlich auf einige Materialien und Prozesse zutrifft, werden bei dieser Schlussfolgerung viele Faktoren übersehen.

Im weiteren Verlauf dieses Artikels finden Sie einige Punkte, die Sie berücksichtigen sollten, bevor Sie die beste Methode zur Vermittlung Ihrer Produkte und Prozesse auswählen.

Bedenken Sie noch einmal, dass der Parameter, der die Förderung in verdünnter Phase von der Förderung in dichter Phase und umgekehrt unterscheidet, die Geschwindigkeit ist. Wenn Sie das Thema mithilfe gängiger Suchmaschinen weiter recherchieren oder mit Herstellern der Technologie sprechen, werden Sie eine Terminologie finden, die die beiden Modi anhand von „Feststoffbeladungsverhältnis“ und „Hochdruck vs. Niederdruck“ unterscheidet. Es stimmt zwar, dass solche Merkmale zur Diagnose der Vermittlungsart herangezogen werden können, bei diesen Merkmalen handelt es sich jedoch lediglich um Symptome. Viele Fördersysteme für verdünnte Phasen arbeiten bei Druckdifferenzen deutlich über 1 bar(g) [15 psig], was der oft gesuchte Maßstab für die Unterscheidung zwischen verdünnter und dichter Phase ist. Der umgekehrte Umstand kann auch in der realen Welt eintreten. Zum Glück gibt es eine Demonstration, die die Geschichte der pneumatischen Förderung perfekt erzählt, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Arten der pneumatischen Förderung

Wie in Abbildung 2 dargestellt, ist ein Phasendiagramm für ein pneumatisches Fördersystem recht einfach zu interpretieren. Die „y-Achse“ stellt den Druckabfall eines Fördersystems dar und die „x-Achse“ stellt die Geschwindigkeitsänderung dar. Die verschiedenen Zwischenlinien im Diagramm stellen den Schüttgutdurchsatz im jeweiligen pneumatischen Förderregime dar. Einfach ausgedrückt: Wenn die Materialgeschwindigkeit bei konstanter Kapazität auf der rechten Seite des Diagramms (dem verdünnten Bereich) beginnt und nach links übergeht, fällt das Material aus der Suspension und beginnt mit der Förderung im Dichtphasenmodus.

Auch hier war der einzige manipulierte Parameter die Geschwindigkeit, und um die erforderliche Kapazität im identischen System zu erreichen, muss der Fördergasdruck erhöht werden. Abhängig von der betreffenden Kapazität könnte der Druckunterschied deutlich höher sein, wenn man dieselbe Kapazität im Bereich der Dünnphasenförderung vergleicht. Infolgedessen müssen Verarbeiter Komponenten für das System in Betracht ziehen, die für die Bewältigung der erwarteten höheren Drücke ausgelegt sind, einschließlich Luftkompressoren, unterschiedliche Quellen wie Druckbehälter oder Hochdruck-Drehventile, Umschaltventile und Rohrleitungsverbindungen. Die meisten dieser Artikel sind für solche Prozesse verfügbar, jedoch mit einem höheren Aufwand, der berücksichtigt werden sollte.

Um dem Kommentar zu den Systemkomponenten zu folgen, ist es erwähnenswert, dass Systeme mit verdünnter und dichter Phase dieselben allgemeinen Bausteine ​​verwenden: eine Treibluftquelle, eine Zufuhrvorrichtung, ein geschlossenes Rohr und einen Zielbehälter. Ihre typischen Installationsrichtlinien variieren jedoch.

Ein Beispiel ist die Betrachtung des Zielbehälters. Oftmals verfügt der die Feststoffe aufnehmende Behälter über eine Filtervorrichtung (z. B. eine Behälterentlüftung oder eine andere Filtervorrichtung), die die Partikel aus der Luft trennt. Mit der Zeit nimmt die Lebensdauer der Filter ab, und Geräte wie Differenzdruckmonitore können Verarbeitern dabei helfen, die Lebenserwartung ihrer Filtermedien einzuschätzen. Da Dichtstromsysteme häufig mit viel geringeren Luftmengen betrieben werden, sind solche Geräte im Vergleich dazu möglicherweise nicht zuverlässig bei der Bestimmung des Wartungszyklus solcher Geräte.

Besondere Überlegungen sind besonders wichtig für die Sicherheit von Bediener und Personal. Da die Dichtstromfördersysteme häufig Betriebsdrücke von über 1 bar(g) [15 psig] überschreiten können, fallen viele der Geräte in den Konstruktionsbereich der Codes & Standards der American Society of Mechanical Engineers (ASME). Ein Verarbeiter muss nicht nur den anspruchsvollen Charakter von LOTO-Verfahren für Hochdruckgeräte berücksichtigen, sondern auch den zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand, der mit bestimmten (Hochdruck-)Rohrverbindungen und Inspektionen vor der Inbetriebnahme des Systems verbunden ist.

Unabhängig vom Fördermodus gibt es in der Regel eine eigene Anleitung zur Installation des Systems. Seriöse und erfahrene Systemlieferanten verfügen über eigene veröffentlichte Richtlinien, die allgemeine Aspekte im Zusammenhang mit Fördersystemen behandeln.

Einer der am meisten übersehenen Aspekte jedes pneumatischen Fördersystems ist die mögliche isometrische Führung sowohl der Reinluft- als auch der Förderleitungen. Übliche Anforderungen an pneumatische Fördersysteme mit verdünnter Phase bestehen darin, alle Leitungen in der horizontalen und vertikalen Ebene zu halten, Beschleunigungszonen für das Material vorzusehen und aufeinanderfolgende Bögen zu vermeiden. Dieser Hinweis gilt möglicherweise nicht unbedingt für Dichtphasensysteme.

Bei Dichtstromsystemen, die bestimmte Materialien transportieren, kann es empfehlenswert sein, dass ein Rohrkrümmer unmittelbar dem Aufnahmepunkt folgt und vertikal verläuft, um die Bildung von Pfropfen zu unterstützen. Diese Regel steht im Gegensatz zu typischen pneumatischen Fördersystemen und stößt oft auf Begeisterung, da sie den Designprozess erleichtert. Darüber hinaus müssen Bögen in Dichtstromsystemen möglicherweise keine traditionellen Radiusbögen für gängigere Fördersysteme sein, was mögliche Designbeschränkungen weiter erleichtert.

Rohrkräfte werden in Dichtstromsystemen erzeugt, und dieses Phänomen wird von den meisten Verarbeitern während der Entwurfsphase nicht beobachtet. In einigen Fällen vernachlässigen Lieferanten die Berücksichtigung, dass dies potenziell schädliche Folgen haben kann, einschließlich verletzter Bediener und erheblicher Störungen in der Förderlinie. Solche Kräfte treten häufig bei Förderleitungen mit Leitungen mit großem Durchmesser (>100 mm), übermäßigen Bögen und übermäßigen horizontalen Rohrabschnitten auf. Da Materialblöcke oft eine entsprechende Länge von mehr als dem 20-fachen des Rohrdurchmessers haben und sich mit Geschwindigkeiten zwischen 6 und 10 m/s fortbewegen, müssen Verarbeiter an der Stelle, an der das Rohr und die Rohrbögen verlegt werden, strukturelle Verstärkungen in Betracht ziehen. Möglicherweise ist auch eine einzigartig gestaltete Rohrunterstützung erforderlich, um die Verteilung radialer und axialer Bewegungen entlang der Rohrleitungen zu unterstützen, wenn das Material auf Richtungsänderungen einwirkt. Verarbeiter sollten mit Lieferanten zusammenarbeiten, die über Erfahrung und etablierte Methoden zur Berechnung und Gestaltung für diese Umstände verfügen.

Idealerweise haben Materialien, die für die dichte Phase geeignet sind, eine körnige Partikelgröße und einen Carr-Index von

Glücklicherweise gibt es eine weitere Richtlinie, die Verarbeitern dabei helfen kann, ihr Material als geeignet zu qualifizieren: die Geldart-Klassifizierungstabelle (siehe Abbildung 3). Zusammenfassend stellt dieses Diagramm eine Beziehung zwischen der Schüttdichte eines Feststoffs und seiner jeweiligen Partikelgrößenverteilung dar, um das Fluidisierungsverhalten des betreffenden Feststoffs zu bestimmen. Die Erklärung des oben genannten idealen Kandidaten würde im „D“-Bereich des Diagramms liegen (siehe Artikel). Materialien der Gruppe „C“ können aufgrund ihrer kohäsiven Beschaffenheit häufig von der Betrachtung in dichter Phase ausgeschlossen werden. Beispiele hierfür sind Titandioxid, bestimmte PVC-Verbindungen und Ascorbinsäuren. Materialien der Gruppen „A“ und „B“ können aufgrund des Potenzials für Belüftung und Fluidisierung häufig als geeignet angesehen werden. Wenn in Dichtstromsystemen die Materialien auf natürliche Weise keine Schlacken bilden, ist der wechselnde Strömungszustand die Fluidisierung in dichter Phase. Die Aufrechterhaltung dieses Zustands in der Förderleitung kann sich als schwierig erweisen, da die meisten Schüttgüter nicht gut darauf reagieren, wenn sie im Fluid bleiben und gleichzeitig von einer Treibluftquelle komprimiert werden. Um dies zu beheben, entscheiden sich die meisten Verarbeiter für den Einsatz von „Boostern“ oder „Stabilisatoren“ entlang der Rohrführung, um das Material durch Entlüften kleiner Luftmengen belüftet und stabil zu halten. Solche Geräte sind nützlich, allerdings werden die Energiesparvorteile von Dichtstromsystemen durch ihren Einsatz oft zunichte gemacht. Für Verarbeiter von RTE-Lebensmitteln und Wirkstoffen, die versuchen, solche Geräte zu verwenden, sollten sich zusätzliche Bedenken ergeben, da die Qualitätsstandards für Druckluft anerkannt werden müssen. Die Luftunterstützungsgeräte müssen auch das Rohrinnere ausfüllen und Verarbeiter sollten besonders darauf achten, dass Spalten minimiert oder beseitigt werden.

Geldart-Materialklassifizierungstabelle

Diagramme und Gleichungen sind nützlich, um die Eignung eines Materials zu bestimmen, während des Transports in dichter Phase stabil zu bleiben, aber es gibt keinen Ersatz für umfassende Materialversuche. Potenzielle Käufer sollten sich mit den Anbietern über deren Testfähigkeiten beraten und wissen, wie sie jeden Zweifel ausräumen können.

Verarbeiter, die Schüttgüter mischen, entscheiden sich häufig für die Dichtstromförderung, wenn ein Materialtransport erforderlich ist. Die Logik ist fundiert – wenn die verdünnte Phase per Definition eine hohe Geschwindigkeit aufweist, wird sich das Produkt während des Transports wahrscheinlich entmischen oder entmischen. Dies trifft zwar zu, gilt jedoch nicht ausschließlich für Systeme mit verdünnter Phase.

Dichtphasensysteme, die die oben genannten Überlegungen weitgehend ignorieren, können auch bei Mischungen zur Entmischung führen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das betreffende Dichtstromsystem Luftunterstützung entlang der Förderlinie nutzt. Das Einblasen von Luft entlang der Förderleitung führt dazu, dass sich die Transportgeschwindigkeit des oberen Teils des Materials unterscheidet, wenn das Bett mit dem Rohr in Kontakt steht, das ebenfalls Widerstandskräften ausgesetzt ist.

Wenn die Partikelgrößenverteilung der Mischung stark variiert, ist möglicherweise weder die verdünnte Phase noch die dichte Phase geeignet, da die Trägheit der größeren Partikel überproportional zu den kleineren, leichteren Partikeln variiert. Die Probleme, die am häufigsten mit der Mischungsentmischung als Funktion der pneumatischen Förderung verbunden sind, betreffen die Gesamtkonstruktion des Systems, einschließlich der Länge der vertikalen Strecken, der horizontalen Strecken und der Anzahl der Biegungen. Auch der Materialeintritt in einen Behälter (tangential vs. radial) spielt eine Rolle. Die beste Vorgehensweise zur Minimierung der Mischungsentmischung bei der pneumatischen Förderung besteht darin, zahlreiche Handhabungsschritte nach dem Mischer zu vermeiden, die Förderführung so einfach wie möglich zu gestalten und eine Geschwindigkeit anzustreben, die alle Partikel in einem ähnlichen Verhältnis transportiert.

Die Dichtstromförderung hat für viele Verarbeiter zahlreiche Vorteile, und wie bei jeder Mehrwerttechnologie sind diese Vorteile mit Kosten verbunden. Bis vor Kurzem haben viele Konstrukteure von Systemen mit verdünnter Phase beim Vorschlag von Fördersystemen die „Worst-Case“-Konstruktionsszenarien mit der längsten Distanz und der höchsten Kapazität berücksichtigt. Kombiniert man das mit Antriebsluftquellen mit fester Drehzahl und Zuführgeräten mit einfacher Drehzahl, führt das zu unnötigem Verschleiß, Produktungleichmäßigkeiten und erhöhtem Energieverbrauch. Da die Kosten für Antriebe mit variabler Frequenz im Vergleich zu ihren serienmäßigen Komplementen immer weiter sinken und gleichzeitig SPS-basierte Algorithmen eingeführt werden, um das Luftvolumen im Takt mit der Druckdifferenz zu berücksichtigen, gibt es möglicherweise neue, kosteneffiziente Möglichkeiten, dies zu erreichen die vom Materialhandhabungsprozess geforderten Ziele. Ich hoffe, dass Ihnen dieser Artikel dabei hilft, die beste Transportmethode für Ihre Produkte und Prozesse zu finden, während Sie auf Ihrem Weg zur Entwicklung des richtigen Materialtransportsystems vorankommen.

Brandon Dohn ist Global Industry Applications Manager bei Coperion K-Tron (Salina, KS). Für weitere Informationen rufen Sie 785-825-1611 an oder besuchen Sie www.coperion.com/en.

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