Good Vibrations

Produktivität und Effizienz von Siebanlagen erhöhen

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12.04.2010 Die Siebanlage mit integriertem Vibrationssystem nutzt das natürliche Phänomen der fremdartigen Anziehung aus, um die Siebeffizienz zu erhöhen und die Leistung der Anlage zu steigern.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Das Vibrationssystem konvertiert die
  • Vibrationsenergie von einer Einzel- in
  • eine Multifrequenz, verstärkt diese und überträgt sie auf das Sieb.
  • Die starken Impulse sorgen für ein kontinuierliches Vermischen des Materials über die gesamte Schichtdicke.
  • Das System eignet sich auch für
  • siebschwierige Schüttgüter wie Fette oder Fettmehlgemische, und für pharmazeutische Produkte, die aufgrund
  • ihrer Zudosierung bei extrem niedrigen Trennschnitten bis zu
  • 23?µm zu separieren sind.
  • Die Separationsanlagen sind FDA-konform und stehen sowohl als Rund- als auch als Rechtecksiebe und als Einzel- und als Mehrdecker zur Verfügung.

Das Phänomen der fremdartigen Anziehung tritt auf, wenn Masse auf einer elastischen Struktur aktiviert wird. Als Konsequenz wird die Struktur deformiert, und es werden Oszillationen in unterschiedlichen Amplituden erzeugt. Während elektronische Geräte, insbesondere Verstärker, diesen Effekt in großem Maße nutzen, galt es bislang als nicht übertragbar auf mechanische Systeme.

Phänomen der fremdartigen Anziehung ausnutzen

Hauptbestandteil der Separationsanlage ist der so genannte multifrequente Adapter, ein Vibrationssystem, das dieses natürliche Phänomen der fremdartigen Anziehung ausnutzt. Während der Deformierung der elastischen Struktur werden die Parameter, d.h. die Unnachgiebigkeit des Systems, verändert. Folgerichtig besitzt der Anziehungseffekt stabilisierende Eigenschaften; das System kehrt zu seinem ursprünglichen Bewegungssystem zurück. Bezogen auf ein Vibrationssystem bedeutet dies, dass das System in einem Resonanzbereich gehalten wird – unabhängig von seiner Ausgangsposition und externen Einflüssen, die im Betriebszustand auf das System wirken. Mit anderen Worten, der Effekt der fremdartigen Anziehung determiniert den starken nicht linearen Charakter eines Vibrationssystems und stabilisiert das System in seinem Resonanzbereich. Eine einzelfrequente, mono-harmonische Vibration ist auch heute noch das grundlegende Charakteristikum jeder Siebanlage, mit Ausnahme des Separationssystems mit integriertem multifrequentem Adapter.

Dort übernimmt das am Siebkörper montierte Vibrationssystem die Vibrationsenergie von den am Siebkörper angebrachten Umwuchtmotoren, konvertiert sie von einer Einzelfrequenz in eine Multifrequenz, verstärkt diese auf das 200- bis 500-fache und überträgt sie auf das Sieb, wobei die multifrequente Erregung mithilfe von Resonanzringen oder Stangen gleichmäßig über die Sieboberfläche verteilt wird. In vielen Fällen erlauben pharmazeutische Produkte oder Nahrungsmittel nicht den Einsatz von Drahtgeflechtssieben wegen der Gefahr des in das Produkt gelangenden Drahtabriebs. Aus diesem Grunde werden für solche Anwendungsfälle bevorzugt Lochbleche eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vibrationssieben erlaubt das Vibrationssystem deren Einsatz ohne Verlust der Siebleistung. Die geringere offene Siebfläche wird zum einen durch die höhere Siebeffizienz des Systems ausgeglichen und zum zweiten dadurch, dass über dem grobmaschigen Unterstützungssieb erst das eigentliche Arbeitssieb mit Maschenweiten bis zu 23?µm aufgelegt wird, dessen offene Siebfläche hiervon unberührt bleibt. Da der Siebbelag elastisch mit dem Siebkörper verbunden ist, kommen keine hochfrequenten Oszillationen zum Siebkörper zurück.

Das Vibrationssystem arbeitet rein mechanisch und benötigt keine externe Energiezufuhr. Es übernimmt die gesamte Energie, die es benötigt, von den am Siebkörper der Anlage angebrachten Umwuchtmotoren. Dieses multifrequente, in starkem Maße nicht lineare Resonanz-Vibrationssystem bildet die physikalische Grundlage zur Erhöhung der Durchsatzleistung und Produktivität der Siebanlage. Während des Betriebes fällt eine herkömmliche Vibrationssiebanlage unter ihre Resonanzspitze zurück, weshalb von nach- oder hinter-resonanten Vibrationssystemen gesprochen wird. In der Praxis bedeutet das: Wenn der Vektor der externen Kraft (Motor) nach oben gerichtet ist, fördert das Vibrationssystem stromlinienförmig nach unten, und wenn die externe Kraft nach unten gerichtet ist, befindet sich die Maschine in einer Aufwärtsbewegung. Aus diesem Grund liegt der Effizienzfaktor einer herkömmlichen Siebanlage unter 1?%. Das Separationssystem dagegen bleibt die gesamte Zeit in seiner Resonanz und erreicht so einen Effizienzfaktor von etwa 25?%. Denn die Richtung der externen Kraft deckt sich mit der Bewegungsrichtung des Vibrationssystems.

Breites Frequenzspektrum ausnutzen

Auf der Oberfläche einer herkömmlichen Vibrationssiebanlage befinden sich alle Partikel unter dem Einfluss einer einzigen externen Frequenz – nämlich der des Motors. Damit verteilt die Anlage die Partikel lediglich auf der Sieboberfläche und wartet darauf, dass jedes einzelne Partikel aufgrund der Schwerkraft durch eine der Maschenöffnungen ausgetragen wird. Die neuentwickelte Siebanlage dagegen nutzt aus, dass jedes Objekt und so auch jedes Partikel auf einer Sieboberfläche seine eigene einzigartige Resonanzfrequenz besitzt. Da auf dem Siebbelag ein extrem breites Spektrum von Frequenzen simultan vorhanden ist und sich die Verteilung der Frequenzen mehr als zehnmal pro Sekunde ändert, findet jedes Partikel umgehend seine eigene Resonanzfrequenz und so seinen Weg durch die Maschenöffnungen. Dabei wird quasi die gesamte Tiefe des Materialbetts „gescannt“. Die starken Impulse sorgen für ein kontinuierliches Vermischen des Materials über die gesamte Schichtdicke, während bei herkömmlicher Technologie kleine Unterkornpartikel, die sich weiter oben im Materialbett befinden, nicht selten mit dem Überkorn ausgetragen werden.

Dieser sogenannte vibro-bewegliche Schichteffekt, der das Material regelrecht zum „Schäumen“ bringt, erlaubt wesentlich größere Schichtdicken als herkömmlicherweise üblich; dies stellt Kapazitäten zur Verfügung, um Biopharmazeutika, die sich bereits in der späten Entwicklungsphase befinden, für die Marktversorgung zu produzieren. So konnte beispielsweise ein Anwender, der das neue System zur Trennung von Nikotinsäure einsetzt, die Durchsatzleistung von 25?kg/h m² der Altanlage auf das fast 15-fache steigern. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus extrem niedrigen Trennschnitten bis zu 23?µm, die dank dieses Verfahrens möglich sind und die beispielsweise im Bereich der Farbpigmente zu erweiterten Anwendungsmöglichkeiten von Vibrationssieben führten.

Agglomerate aufbrechen

Es gibt eine beträchtliche Anzahl von Prozessen, für die aufgrund eines hohen Verblockungsrisikos keine Siebanlagen in Betracht gezogen werden. Verblockungen können bei irregulär geformten Partikeln, die in den Maschenöffnungen stecken bleiben, feuchten oder klebrigen Produkten sowie bei Agglomeratbildung auftreten. Je siebschwieriger ein Material ist und je feiner die erforderliche Trennung, desto eher wird auf vergleichsweise komplizierte und teure Anlagen, wie Hydrozyklone, Windsichter oder Zentrifugen, ausgewichen. Fettmehlgemische gehören zum Beispiel zur Gruppe der schwierig zu siebenden Produkte. Mit herkömmlichen Siebmaschinen ist es unmöglich, bestimmte Fraktionen < 500 ?m zu separieren. Häufige Verblockungen der Siebbeläge führten beim Anwender vor Einsatz des Separationssystems zum Zwang der ständigen Zwischenreinigung. Inzwischen können Big-bags ohne solche Maßnahmen problemlos und ohne Unterbrechung gesiebt werden. Eine ebenso große Herausforderung stellt die Agglomeratbildung dar. Weltweit entstehen der Industrie enorme Verluste, weil agglomeriertes Produkt mit dem Überkorn ausgetragen wird. Ein Unternehmen, das seit langem Mehlgemische siebt, spezifizierte zum Beispiel bei der Bestellung einer Siebanlage eine Korngrößenverteilung von 80?% Unterkorn und 20?% Überkorn (Ausschuss). Bei der ersten Siebung ließ die Anlage jedoch fast 100?% des Aufgabenguts durch die Maschenöffnungen. Erst da wurde deutlich, dass es sich beim Überkorn fast ausschließlich um Agglomerat handelte und das Unternehmen zuvor 20?% verkaufbares Produkt weggeworfen hatte. Bei Zitronensäuren konnte der zu Klumpen agglomerierte Sackinhalt nach der Produktaufgabe mit dem Separationssystem vollständig desagglomeriert werden. Die starken Impulse des Vibrationssystems, die bei der neuen Anlage von der Unterseite des Siebbelages wirken, brechen die Agglomerate auf. Agglomerierte Partikel, die gegen das Drahtgewebe schlagen, werden augenblicklich zurückgeworfen, bevor sie die Maschen verblocken können. Ebenso ergeht es irregulär geformten Partikeln. Das System erzeugt Beschleunigungen von bis zu 1?000?G (gegenüber 5 bis 12?G in herkömmlichen Anlagen), so dass nur Partikel, deren Bewegungsvektor strikt nach unten gerichtet ist, die Maschenöffnungen passieren. Quarzsand lässt sich beispielsweise mit einer Durchsatzleistung von 7 bis 8?t/h?·?m² in Fraktionen von 100, 150 und 200??m separieren. Um die gleiche Durchsatzleistung mit herkömmlicher Technik zu erzielen, wären Maschenweiten im Millimeter-Bereich notwendig. Gröbere Maschen erhöhen Durchsatz

Bei einer herkömmlichen Siebanlage entspricht der Trennschnitt der Größe der Maschenöffnungen. Soll beispielsweise eine Fraktion
So benutzt beispielsweise ein Hersteller von Tiernahrung Siebe mit einer Maschenweite von 1,2?mm für einen Trennschnitt von 0,8?mm. Ein Vorteil ist eine längere Standzeit der Anlage, da gröbere Beläge in der Regel aus stärkeren und somit robusteren Drähten bestehen. Die im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen stärkeren Vibrationsimpulse und Beschleunigungen wirken sich nicht negativ auf die Standzeit der Anlage aus. Während bei herkömmlichen Anlagen der Siebbelag starr mit dem Siebkörper verbunden ist und generell der gesamte Siebkörper erregt wird, ist bei Anlagen nach der neuen Technologie die Verbindung des Siebbelags mit der Anlage elastisch konzipiert. Es wird nur der Siebbelag selbst erregt, ohne die Gesamtkonstruktion zu belasten. Als Folge können wesentlich leichtere Siebkörper und kleinere Motoren eingesetzt werden. Die Erregung des Vibrationssystems und darüber des Siebbelags mit einer vertikalen Amplitude unter 1?mm erfordert beträchtlich weniger Energie als die Erregung des kompletten Siebkörpers einer herkömmlichen Anlage.

Aufgabenteilung

Herkömmliche Siebanlagen benötigen grundsätzlich straff gespannte Siebbeläge, um die Vibration über die gesamte Siebfläche zu verteilen. Sie werden dadurch mechanisch stark beansprucht und erreichen keine hohen Standzeiten. Die neue Siebanlage arbeitet – mit Ausnahme von Grobsiebungen – mit nur leicht gespannten bzw. losen Siebbelägen. In den meisten Fällen werden zwei bis drei Siebbeläge aufeinander gesetzt.

Das untere Unterstützungssieb, das mit leichter Spannung befestigt wird, ist sehr grob und entsprechend stark und haltbar. Es hält der starken vom Vibrationssystem ausgehenden Erregung stand und hat lediglich die Funktion einer Vibrationsverteilung. Das Arbeitssieb wird lose darauf gelegt und so vom wesentlichen Verschleißfaktor – dem Vibrieren im gespannten Zustand – befreit. Das stabile Unterstützungssieb muss nur selten gewechselt werden, und das Arbeitssieb kann einfach von einer Siebbelagsrolle in der benötigten Größe abgeschnitten werden. Auf diese Weise reduziert die Trennung der Funktionen – Vibrationsverteilung und Materialverarbeitung – die Betriebskosten.

Da das Sieb nicht eingespannt wird, können auch nicht metallische Siebe eingesetzt werden, zum Beispiel aus Polyester oder Polyamid. Diese Materialien rosten nicht, sind haltbarer und um ein Drittel bis ein Fünftel günstiger als Stahlsiebe. Im pharmazeutischen und Nahrungsmittelbereich ist aber auch ein wichtiger Gesichtspunkt, dass die Siebanlagen so konstruiert und gefertigt werden, dass eine Kontaminierung des Produktes durch Abrieb oder gar Maschinenbauteile ausgeschlossen wird. Aus diesem Grunde werden die Adapter entweder gekapselt oder extern, also außerhalb des Produktraumes angebracht, in dem sich somit nur noch die Resonanzringe oder Stangen zur Übertragung der Vibrationskräfte befinden, die wiederum mit FDA-konformen Kunststoffen beschichtet sind oder ganz aus entsprechenden Werkstoffen bestehen.

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Heftausgabe: April 2010
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Dr. Michael Kaiser, Geschäftsführer Dr. Kaiser Engineering

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Dr. Michael Kaiser, Geschäftsführer Dr. Kaiser Engineering
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