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Pneumatische Förderung von feuchten und klebrigen Pulvern

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13.04.2010 Beim pneumatischen Fördern von feinem, klebrigem oder feuchtem Pulver entstehen häufig Probleme wie Verstopfungen in den Schläuchen, Verstopfen der Filter und Schwierigkeiten bei der Entleerung des Luft-/Pulver-Abscheiders. Hier bietet sich eine Dichtstromförderung an.

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Entscheider-Facts Für Anwender


Kennzeichen einer Dichtstromförderung:
  • direktes Ansaugen von Produkt aus Gebinde möglich, keine Zuführsysteme wie beispielsweise Durchblasschleusen notwendig;
  • produktschonendes Fördern von feinen, feuchten oder klebrigen Produkten möglich durch langsame Fördergeschwindigkeit von
  • Pulver mit geringen Zündenergien können mit Luft gefördert werden, da Pulverkonzentration und geringe Fördergeschwindigkeit die elektrostatische Ladung gering halten;
  • hygroskopische oder oxidierende Pulver können mit Umgebungsluft gefördert werden, da das Produkt nur kurzzeitig mit sehr wenig Luft in Berührung kommt;
  • Produkte mit großer Partikelgrößenverteilung können ohne Entmischung gefördert werden.

Die am häufigsten eingesetzten pneumatischen Fördersysteme werden als Flugförderung oder Strähnenförderung betrieben. Dabei ist gerade bei kritischen Produkten eine Dichtstromförderung die beste Methode, um eine funktionierende pneumatische Förderung zu realisieren.

Bei der Flug- und Strähnenförderung wird das Produkt in einen Gasstrom aufgegeben, dessen Geschwindigkeit bei der Strähnenförderung 10 bis 25m/s und bei der Flugförderung >25m/s beträgt. Als Vakuumerzeuger werden Ventilatoren oder pneumatische Vakuumpumpen, die auf dem Venturiprinzip beruhen, verwendet. Bilden die feuchten oder klebrigen Produkte einen Pfropfen in der Förderleitung sind diese Vakuumsysteme aufgrund Ihrer eingeschränkten Vakuumleistung nicht mehr in der Lage, die Förderung aufrechtzuerhalten.
Für die Dichtstromförderung werden Vakuumsysteme verwendet, die Drücke von deutlich unter 100mbar erreichen. Dadurch können auch Pfropfen, die über eine längere Strecke den gesamten Querschnitt der Förderleitung verschließen, gefördert werden.

Wichtig: Wirkungsgrad des Filters

Da das Pulver von der Förderluft getrennt werden muss, ist das Filtrieren ein wichtiges Element aller pneumatischen Fördersysteme. Es gibt eine große Anzahl von Filtertypen, wie beispielsweise Patronenfilter, Filtertaschen oder Membranen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

In einem herkömmlichen System wird die filtrierende Oberfläche durch die Fördergasmenge und die Pulverbeladung im Gasstrom definiert. Die theoretische Größe des Filters wird danach anhand von Standardwerten für die Filtriergeschwindigkeit berechnet. Ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor gewährleistet eine ausreichende Standzeit des Filters und verringert – jeweils abhängig vom Pulvertyp – die Gefahr des Filterverschlusses. Die zwei wichtigsten Probleme, die beim Filtrieren in pneumatischen Fördersystemen auftreten, sind ein zu geringer Filterwirkungsgrad (Produktdurchschlag) und das Verstopfen der Filter, sobald das Pulver besondere Eigenschaften, wie etwa fein, klebrig oder abrasiv, hat.
Der Wirkungsgrad des Filters wird nicht nur durch den theoretischen Filtriergrad des Filters, die Porosität, und die Korngeometrie des Pulvers bestimmt, sondern auch durch die Konfiguration des pneumatischen Fördersystems. Je nach kinetischer Energie der Partikel, also spezifisches Gewicht und Geschwindigkeit der Partikel, Einschlagwinkel sowie deren – kristalline – Form kann eine Verringerung des Filtriereffektes beobachtet werden.
Das am häufigsten wiederkehrende Problem ist das Verstopfen des Filters. Mit der Zeit hat jeder Filter die Tendenz zu verstopfen und muss erneuert werden. Bei feinem und klebrigem Pulver sowie bei Pulver, das sich elektrostatisch auflädt, besteht durch die hohen Haftkräfte eine erhöhte Gefahr, dass der Filter teilweise oder vollständig verstopft. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass es unmöglich ist, Filter mit einer großen Oberfläche oder einer komplexen Geometrie – Beispiel: plissierte Patrone – vollständig und gleichmäßig zu reinigen. Um ein zu schnelles Verstopfen letztendlich zu vermeiden, sind diese oftmals überdimensioniert, denn normalerweise geht man davon aus, dass 30% der Filteroberfläche ständig verstopft ist.
Ein Nachteil von großen Filtern ist, abgesehen von den hohen Kosten, dass diese in einem voluminösen Luft-/Pulver-Abscheider untergebracht werden müssen. In einigen Fällen beträgt das Volumen des Filters bis zu 90% des Abscheiders. Der Durchmesser des Abscheiders ist häufig größer oder gleich 400 bis 500mm. In seinem unteren Teil muss er mit einer konischen Reduzierung ausgerüstet sein, um überhaupt an einen Standard-Flansch angeschlossen werden zu können. Neben dem erheblichen Platzbedarf entstehen regelmäßig Pulverbrücken oder Verstopfungen am Ausgangskonus des Abscheiders, sobald das Pulver nur noch schlecht fließt.

PTS fördert kritische Produkte

Das Pulvertransportsystem, kurz PTS genannt, löst die genannten Probleme der Förderung von kritischen Produkten auf elegante Weise. Das System besteht aus einer geraden zylindrischen Kammer. Im oberen Teil dieser Kammer befindet sich ein flacher Filter bestehend aus einer Oberflächen-Filtriermembran (Durchlassgrad 1µm), die leicht abzureinigen ist, da das Pulver nicht in den Filter eindringt, sondern an der Oberfläche abgeschieden wird. Die kleine Filterfläche und der daraus resultierende hohe Druckverlust am Filter führen dazu, dass die Gasgeschwindigkeit niedrig gehalten wird und sich auf diese Weise die gewünschte Dichtstromförderung quasi automatisch einstellt.

Die PTS-Technologie arbeitet abwechslungsweise mit Vakuum und Druck. Durch das hohe Vakuum – <100mbar – kann Pulver direkt aus einem Behältnis, wie beispielsweise Sack, Fass, Big-bag, Silo oder Prozessapparat – in die Kammer angesaugt werden. Das System hat ausreichend Kraft (Vakuum), um das Produkt als Pfropfen durch die Förderleitung in den Abscheider zu ziehen. Die Kammer wird dann mit Hilfe von Druck entleert, und gleichzeitig wird auch der Filter aufgrund der kleinen Filterfläche effizient gereinigt.
Die Förderung findet in der Dichtphase statt, da die Geschwindigkeit des Gases durch die Oberfläche des Filters eingeschränkt wird. Im oberen Teil der PTS-Kammer ist ein zyklonartiger Eingang angebracht. Das Pulver wird in Pfropfenform mit einer niedrigen Geschwindigkeit – <2 bis 3m/s – gefördert. Gleich beim Eindringen in die Kammer wird es vom Fördergas getrennt. Damit wird der Filter vor einem direkten Auftreffen der Partikel geschützt, und eine gründliche Trennung ist gewährleistet.
Aufgrund der Gestaltung des PTS-Körpers und der Förderung in der Dichtphase kann sogar Pulver mit Partikeln kleiner als 1µm, getrennt werden. Dies ist möglich, da das Pulver während der Förderung homogen bleibt und die feineren Partikel nicht von den gröberen getrennt werden.
Die flache Filterform ermöglicht eine sehr gründliche Reinigung. Beim Entleeren des Körpers entfernt der Gasstrom die Pulverschicht, die sich auf der Filteroberfläche gebildet hat. Aufgrund seiner glatten und ebenen Oberfläche kann kein Pulver haften bleiben. Die Reinigung wird durch zwei Effekte begünstigt. Der erste ist ein Druckstoß auf die Membran. Durch den augenblicklichen Wechsel von absolutem Vakuum zu Druck mit einem Druckunterschied von rund 2bar wird ein Druckimpuls auf die Membran ausgeübt, der den feinen Pulverfilm von der Oberfläche löst. Der zweite Effekt ist der entgegengesetzte Gasstrom, der die letzten Staubpartikel entfernt und somit den Reinigungsvorgang abschließt. Der Gasstrom für die Abreinigung trifft im rechten Winkel auf die Filtermembran. Dabei entsteht durch den Widerstand der Filtermembran an deren Oberfläche der höchste Druck, der sich aufgrund der einfachen Geometrie auf der gesamten Filteroberfläche verteilt. Wird der Gasstrom – wie bei vielen anderen Systemen üblich – parallel zum Filtermedium aufgegeben, ist die Abreinigung nicht über den gesamten Filter wirksam. Teilweise ist sogar eine Saugwirkung zu beobachten, da sich der Druck im Reingasbereich durch die hohe Gasgeschwindigkeit partiell absenkt. Dies ist für die Abreinigung des Filters kontraproduktiv.

Flachfilter-Konzept optimiert

Das Flachfilter-Konzept ermöglicht es, Trennkammern von geringem Volumen einzusetzen. Zum Beispiel mit einem PTS, dessen Körper einen Durchmesser von 200mm hat und weniger als 1m hoch ist, kann Pulver mit einem Durchsatz von mehr als 2t/h gefördert werden.

Durch die optimierte Abreinigung des Filters ist es möglich, den Körper vollständig zu füllen, ohne eine Verstopfung des Filters zu riskieren, selbst wenn das Pulverniveau mit der Membran in Kontakt kommt. Somit erübrigt sich auch eine Niveausonde, wie sie bei herkömmlichen Filtern erforderlich ist, denn diese Filter können verstopfen, wenn sie in direkten Kontakt mit dem Pulver kommen; hieraus ergibt sich wiederum das Problem der Reinigung des Filters.
Kennzeichen eines flachen Filters im Vergleich zu einem herkömmlichen Filter:

Membranen lassen sich einfach installieren und auswechseln;
die Kosten der Membranen sind gering;
eine Reinigung an Ort und Stelle (CIP) ohne Filteraustausch ist möglich;
große Auswahl an Werkstoffen.

Die kompakte Ausführung und robuste Konstruktion des PTS-Systems ermöglicht es, dieses direkt auf den zu beschickenden Prozess-Apparat (Reaktor, Trockner, etc…) zu installieren. Das System ermöglicht die gleichzeitige Funktion als pneumatischer Förderer sowie als Sicherheits-Luftschleuse, mit der Luft aus dem Pulver entfernt werden kann. Folglich kann Pulver zwar mit Umgebungsluft gefördert werden, jedoch ohne Sauerstoffzufuhr und ohne Entweichen von Dämpfen in inertisierte Apparate sowie in Apparate, die unter Druck stehen, eingebracht werden.

Sein Design erlaubt dem PTS-System, den strengen und hohen Anforderungen der pharmazeutischen Industrie gerecht zu werden. Das bedeutet letztendlich: Förderung unterschiedlicher Produkte, hohes Containment, schnelle und leichte Reinigung sowie Ausschluss verschiedener Gefahren.

Heftausgabe: April 2010
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Thomas Eules,  Geschäftsführer DEC Deutschland

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Thomas Eules, Geschäftsführer DEC Deutschland
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