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Optimale Abstimmung erforderlich

Praxisgerechte Auslegung und Integration von Dosiersystemen für Schüttgüter
Optimale Abstimmung erforderlich

Die präzise kontinuierliche Dosierung von mittel bis schwer fließenden Schüttgütern stellt eine große Herausforderung dar. Einerseits werden die Genauig-keitsanforderungen an die Dosierung von Produkten auch mit schlechtem Fließverhalten und bei niedrigen Durchsatzleistungen höher. Andererseits sind die Dosierwaagen optimal in die teilweise komplexen Gesamtprozesse zu inte- grieren. Nicht selten sind prozessbedingte Druckunterschiede und spezielle Betriebsweisen sowie externe Störeinflüsse zu beachten und zu berücksichtigen.

Dr.-Ing. Matthias Kruse

Die Anforderungen an kontinuierliche Schüttgutdosierer sind ungleich höher als an Dosierer, die im Chargenbetrieb arbeiten. Während der Chargendosierer in der Regel erst am Ende des Dosiervorgangs das Sollgewicht mit der geforderten Genauigkeit erreichen soll, muss der kontinuierliche Dosierer ständig in den geforderten Genauigkeitsgrenzen pro Zeiteinheit seinen Dienst verrichten. Üblicherweise erfolgen Genauigkeitsmessungen bzw. -angaben derzeit mit Bezug auf die Empfehlungen gemäß dem Namur-Arbeitsblatt NA 40. Demnach werden Dosierkonstanz Sk (= Schwankung des Ist-Wertes um den tatsächlichen Mittelwert) und Dosiergenauigkeit Sd (=systematische Abweichung des Mittelwertes des Ist-Wertes vom Sollwert) auf der Basis von 30 Messungen mit jeweils 1 min Messzeit berechnet. Jedoch ist es denkbar, dass aufgrund einer kurzen Verweilzeit (<< 1 min) des Schüttgutes in einem einer Dosierwaage nachgeschalteten Prozess, der Bezugszeitraum für die Messung der Dosiergenauigkeit verkürzt werden muss. Dies bringt die Notwendigkeit mit sich, die Genauigkeiten mit hochgenauen Kontrollwaagen mit kurzen Reaktionszeiten sowie einer schnellen Messdatenaufnahme zu erfassen. Werden dann auch noch die Forderungen an Dosierkonstanz und Dosiergenauigkeit verschärft, kann sich die Gesamt-Genauigkeitsanforderung wesentlich erhöhen. Es ist daher im Projektgespräch zu klären, welche Genauigkeiten an welchen Stellen eines Prozesses erforderlich sind, um unnötige Kosten zu vermeiden.
Optimaler Leistungsbereich
In den Spezifikationen vieler Schüttgutprojekte finden sich Angaben über Dosierleistungsbereiche, die den Faktor 1:20 zwischen minimaler und maximaler Dosierleistung erheblich überschreiten. Grundsätzlich lässt sich bei einem volumetrischen Schneckendosierer, der mit einem Frequenzumrichter von 5 bis 100 Hz angesteuert wird, ein breiter Bereich realisieren. Dies setzt jedoch voraus, dass das Schüttgut eine gute Fließfähigkeit besitzt und sich die Dosierschnecke gleichmäßig füllt. Neben der Möglichkeit, in Einzelfällen die Frequenz bis 130 Hz zu erhöhen, bietet sich insbesondere bei volumetrischen Dosiergeräten wie dem Typ GAC von Gericke die Option an, den Dosierleistungsbereich sowohl in niedrigere als auch höhere Dosierbereiche durch Wechsel der Dosiergarnitur zu verschieben, was bei Mehrproduktanlagen und kurzen Lebenszyklen von Produkten ein Vorteil ist.
Bei gravimetrischen Dosiersystemen können jedoch engere Grenzen gesetzt sein. Ist die Dosierleistung und damit die Entnahmemenge aus dem Wägebehälter zu niedrig, ist es möglich, dass die Wägetechnik der Dosiersteuerung keine signifikante Abnahme der Masse melden kann, wodurch der Steuerung ausreichende Eingangsparameter zur Regelung fehlen. Ist die Dosierleistung im oberen Grenzbereich, muss der Wägebehälter nach einer vergleichsweise kurzen Phase der gravimetrischen Dosierung wieder befüllt werden. In dieser Zeit erfolgt keine Wägung und damit auch nur ein volumetrischer Betrieb des Dosiersystems. Je höher die Dosierleistung für eine gegebene Dosierwaagengröße gewählt wird, desto länger sind also die Phasen, in denen keine gravimetrische Dosierung erfolgt. Zudem können u. a. Impulskräfte aufgrund der häufigen Wiederbefüllungen das Dosierergebnis verschlechtern. Bei der gravimetrischen Dosierung gibt es also einen optimalen Leistungsbereich, in dem die Genauigkeit einen nahezu konstanten Wert erreicht. Am unteren und oberen Leistungsbereich nimmt diese aus den genannten Gründen ab.
Trend zur Mikrodosierung
Der Trend zur Dosierung kleiner Mengen pro Zeiteinheit hat sich in den letzten Jahren verstärkt. Dies hängt einerseits damit zusammen, dass mittlerweile auch die Pharmaindustrie über kontinuierliche Herstellverfahren nachdenkt. Andererseits finden sich in der Nahrungsmittelindustrie, der chemischen Industrie und in Sonderprozessen immer mehr Aufgabenstellungen dieser Art, die es zu lösen gilt.
Durch die Reduzierung der Dosierleistung spielt bei Schneckendosierern die konstruktiv bedingte Abwurfcharakteristik dann eine wichtige Rolle, wenn die Betrachtungszeit für die Genauigkeitsuntersuchung verkürzt wird. Eine kleinere, mehrgängige Schnecke, die mit höherer Drehzahl betrieben wird, oder einer Doppelschnecke, ermöglicht Verbesserungen, doch irgendwann sind die Grenzen erreicht. Gründe hierfür sind beispielsweise:
  • Kompaktierung des Schüttgutes durch zu geringen freien Querschnitt
  • Walzenbildung
  • Produktzerstörung
Auch die Wäge- und Auswertetechnik kennt Grenzen. Neben den Fragen der Auflösung von Wägezellen in Verbindung mit der Wägemechanik, bekommen bei der Optimierung von Kurzzeitgenauigkeiten auch die Reaktionszeiten von Wägezellen und der gesamten Dosiersteuerung mehr Gewicht. Messintervalle bei Kontrollwaagen von 1 s sind an der Tagesordnung, was insbesondere für Wägezellen, die nach dem Prinzip der schwingenden Saite arbeiten, aufgrund der Trägheit problematisch ist. Hier hilft nur die sogenannte gleitende Mittelwertbildung, wodurch das wahre Wägesignal elektronisch geschönt und mit einer gewissen Zeitverzögerung ausgegeben wird. Die von Gericke eingesetzte Wägetechnologie arbeitet in Verbindung mit der Dosiersteuerung Easydos schnell genug, um auch dem hohen Anspruch im Kurzzeitbereich gerecht zu werden.
Zur Powtech in Nürnberg stellt das Unternehmen die Mikro-Dosierwaage DIW-PE mit dem Mikro-Dosierer GDT im Hygienic-Design vor. Der Dosierer GDT ist zur Reinigung abnehm- und zerlegbar. Die Doppelwellendosierschnecke ermöglicht einen pulsationsarmen Schüttgutabwurf im Kurzzeitbereich. Die Einhausung schützt gegen externe Einflüsse durch Wind. Weitere Vorteile des Dosiersystems sind:
  • das oben gelagerte vertikale Rührwerk, das eine Wellendurchführung im produktberührten Bodenbereich vermeidet,
  • eine innovative Antriebstechnik und
  • die Ausführung im Baukastensystem
Ebenfalls zur Powtech wird der Nachfolger der intelligenten Dosiersteuerung Easydos präsentiert. Easydos-Pro erkennt kurzzeitige externe Störungen, ermöglicht ein schnelles Hochfahren auf Soll-Leistung und ein direktes, schnelles Ansteuern des Wiederbefüllorgans. Die Steuerung ist kompatibel mit dem Vorgänger Easydos und für das Fernwartesystem Easydos.net vorbereitet.
Stückige und faserige Güter
Auch bei schwierigen stückigen Gütern gibt es Dosierleistungsgrenzen, unter denen eine kontinuierliche Dosierung mit hoher Genauigkeit nicht möglich ist. Diese Grenze ist ganz einfach erklärt: Die Masse einer einzelner Rosine beispielsweise ist bereits größer als die Menge, die in der kurzen Zeit die Dosierwaage verlassen soll. So kann es nur zwei Zustände geben: entweder ein stückiges Gut wird ausgetragen oder nicht. Kommt es zu Klebeeffekten oder zur Bildung von Gewöllen wie bei Fasern, sind es unter Umständen Agglomerate, die gleichzeitig das System verlassen. Daher gilt hier: Nur die Integration über eine ausreichend lange Zeit ergibt eine sinnvolle Aussage über die Genauigkeit der Dosierleistung.
Die Grundvoraussetzung für eine gutes Dosiersystem gilt aber auch bei dieser Aufgabenstellung: Ohne ein gutes volumetrisches Dosiersystem hat eine Dosiersteuerung in Verbindung mit der Wägetechnik wenig Chancen, die Dosierqualität zu verbessern. Im Fall von Fasern oder Rosinen werden daher Spezialausführungen bei den Rührern und Dosierspiralen eingesetzt, um eine gleichmäßige Füllung des Dosierrohrs zu erreichen.
Zentrifugenfeuchte Produkte
Die Dosierung von feuchten, pappigen und zu Schneebällen formbaren Schüttgütern ist eine Problemstellung, die einen besonderen maschinellen Einsatz erfordert. Häufig neigen diese Materialien auch zur Verfestigung, wenn sie länger nicht in Bewegung sind. Eine solche Aufgabenstellung findet sich oftmals nach Zentrifugen, die zur Vortrocknung von Schüttgütern nach einem Produktionsprozess eingesetzt werden. Die Schüttgüter werden aus der Zentrifuge ausgetragen und eventuell zeitversetzt einem weiteren Trocknungsabschnitt zugeführt. Für Aufgabenstellungen dieser Art eignet sich der SAD-Dosierer, der oberhalb der Dosierschnecke über zwei Rührwerkzeuge verfügt. Diese sorgen einerseits für eine Auflockerung und andererseits für eine gleichmäßige Füllung der Dosierschnecke. Die Konstruktion der Rührwerke und die Antriebsleistungen werden auf das jeweilige Schüttgut abgestimmt, denn die Widerstände bei der Bewegung durch die verschiedenen Produkte können erheblich voneinander abweichen. Da die Produkte auch unterschiedliche Homogenitäten aufweisen können, kann die Arbeit der Rührwerke auch Kraftübertragungen an die Wägemechanik verursachen, denen es zu begegnen gilt. Möglich wird die genaue Wägung bei dieser aufwendigen Dosierlösung durch die Wägemechanik DIW-E mit Hybrid-Mechnik und Tarakompensation, bei der ein mechanisches Dämpfungssystem integriert werden kann. Diese Wägemechanik bietet einen mechanischen Überlastschutz und die Tarakompensation sorgt dafür, dass die Wägezellen nur für die Verwiegung des Inhalts der Dosierbehälter ausgelegt werden müssen, was aufgrund des kleineren Wägebereichs zu einer besseren Auflösung und damit zu einer höheren Genauigkeit führt.
Erfolgreiche Integration
Die erfolgreiche Projektierung und Inbetriebnahme eines gravimetrischen Dosierers hängt entscheidend von der Integration in das Gesamtsystem ab. Es ist wichtig zu klären, welche Maschinen oder Prozesse sich vor und nach dem Dosiersystem befinden und welche Betriebsweisen vorliegen können. Nachfolgend einige klassische Fehler, die bei der Integration auftreten können:
  • Unterschätzung der Notwendigkeit der ausreichenden Be- und Entlüftung
  • Dosierung gegen Überdruck, u. U. auch noch mit dem Problem des Gegenstroms von Brüden oder heißen Gasen ohne Zwischenschaltung einer Dampfsperre oder einer Zellenradschleuse
  • zu geringe Wiederbefüllleistung und somit zu kurze Phase der gravimetrischen Dosierung
  • insbesondere bei kleinen, hochempfindlichen und ungedämpften Dosierwaagen Unterschätzung des Einflusses von Wind, externen Vibrationen und Druckschwankungen durch parallel geschaltete Dosiersysteme mit großen Dosierleistungen
  • baulich bedingte ungünstige Anordnungen der Dosierwaagen mit teilweise langen Fall- und Dosierrohren
Als Spezialist für Dosier- und Anlagentechnik hat Gericke aus unterschiedlichen Anwendungen in verschiedenen Branchen ein umfassendes Know-how entwickelt, um bei der Integration eines Dosiersystems beraten zu können.
Halle 6, Stand 307
cav 401

Mehr Informationen zu den Dosierwaagen von Gericke
Mehr Informationen zu den Dosiergeräten von Gericke
Technische Informationen zu den Gericke-Dosiersteuerungen
Gericke auf der Powtech in Nürnberg
Kurzfassung Namur-Arbeitsblatt NA 40
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