In vielen Industriezweigen wie beispielsweise der Nahrungsmittel- und pharmazeutischen Industrie werden bei der Herstellung vieler Produkte Feststoffe in Form von Pulvern, Granulaten oder Schüttgütern in eine Flüssigkeit eingemischt und anschließend homogenisiert bzw. dispergiert. Häufig kommt es bei diesem Verfahrensschritt zu Problemen: starke Staubentwicklung, Klumpenbildung, Verkleben der Feststoffe an der Rührwelle bzw. Behälterwand und Behälterdeckel und unterschiedliche Qualität der einzelnen Chargen. Das Inline-Verfahren einer Misch-, Homogenisier- und Dispergieranlage (MHD) vermeidet die Nachteile eines klassischen Chargenprozesses. Hier dosiert eine Verdrängerpumpe den Flüssigkeitsanteil mengenproportional und kontinuierlich zu. Gravimetrische oder volumetrische Dosiereinrichtungen dosieren dabei den Feststoff. Die eigentliche Vermischung und anschließende Dispergierung erfolgt in der MHD-Maschine. Durch die Kombination verschiedener Dosier-, Misch- und Homogenisierwerkzeuge kann man den Feststoff staubfrei einbringen und zugleich eine konstante Mischqualität erzielen.
Das Kernstück der MHD-Anlage ist die Misch-, Homogenisier -und Dispergiermaschine MHD 2000/.., die in verschiedenen Größen erhältlich ist. Eine durchsatzgeregelte Verdrängerpumpe oder ein Druckleitungsnetz mit Regelventil dosiert bei der MHD-Maschine die flüssige Mischkomponente zu. Mithilfe eines perforierten Injektormantels wird die Flüssigkeit in viele Einzelströme aufgeteilt und gezielt in den Vormischbereich der Anlage eingespritzt. Ein Schneckenförderer oder eine Zellradschleuse bringt mengenproportional zur Flüssigkeit den Feststoff ein. Die MHD-Anlage kann zudem verschiedene Feststoffe mit getrennten Dosiereinrichtungen gleichzeitig dosieren.
Feine Dispergierung durch Rotor-Stator-System
Im Eintrittsbereich der Maschine werden die Komponenten mit speziellen Werkzeugen unter hohen Turbolenzen vorgemischt und anschließend in den unteren Bereich der Mischkammer gefördert. Durch diese patentierte Konfiguration ist sichergestellt, dass keine Brücken im Übergangsbereich (trockene Zuführung des Feststoffes/nasse Vormischung der Flüssigkeitsphase) entstehen. Die Flüssigkeit kann nicht nach oben in den Trockenbereich spritzen, sodass der Feststoff trocken in die Maschine gelangt. Bis zu drei verschiedene Rotor/Stator-Dispergierwerkzeuge stehen zur Verfügung, um das vorbenetzte Gemisch fein zu dispergieren. Verschiedene Werkzeugkombinationen passen die Maschine optimal an das jeweilige Produkt bzw. Verfahrensziel an.
Abhängig von der geforderten Genauigkeit und der Produkteigenschaft wählt man die entsprechenden Peripheriegeräte aus. Im einfachsten Fall dosiert ein entsprechendes System Feststoff und Flüssigkeit volumetrisch zu. Auch eine kontinuierliche Zuführung mehrerer verschiedener Flüssigkeiten ist möglich. Werden höhere Anforderungen an die Genauigkeit gestellt oder sollen schwierige Stoffe gefördert werden, kommen Dosierorgane mit geregeltem und überwachtem Antrieb zum Einsatz. Dazu erfassen und dokumentieren Sensoren wie Durchflussmesser oder Wiegeeinrichtungen unter anderem die tatsächlichen Ist-Werte. Die Antriebe der Flüssigkeits- und Feststoffdosierung werden entsprechend nachgeregelt. Damit sind Konzentrationsgenauigkeiten bis zu ≤0,5 Massenprozent möglich. Die MHD-Anlage ist kompakt auf einem Grundrahmen aufgebaut. Neben den vorstehend beschriebenen Peripheriegeräten wie Pumpen, Feststoffdosiereinheiten usw. sind auch verschiedene Feststoffaufgabe-Systeme wie Silo-Entleerung, Big-Bag-Entleerung und Sackentleerung kombinierbar, wobei der Automatisierungsgrad kundenspezifisch erfolgt. Angefangen von einer einfachen Handbedienung bis zum vollautomatischen System ist alles durchführbar. MHD-Anlagen sind zur sicheren und fehlerfreien Bedienung überwiegend mit einer SPS-Steuerung oder einem kompletten Prozessleitsystem ausgestattet. Hiermit werden die Anforderungen hinsichtlich Prozesssicherheit, Reproduzierbarkeit und der Qualitätsüberwachung optimal erfüllt.
Blick in die Praxis
Anhand verschiedener Beispiele wird deutlich, wie weit sich der Einsatzbereich von MHD-Anlagen erstreckt: zum Beispiel zur Erzeugung einer Stärkesuspension, die man zur Herstellung von Recyclingpapier benötigt. Die durch zahlreiche Recyclingzyklen immer kürzer werdenden Zellulosefasern vernetzen sich durch die Stärke. Somit können trotz des hohen Recyclinganteils in Kartonagen gleichbleibend gute Eigenschaften erzielt werden. Eine drehzahlgeregelte Verdrängerpumpe mit stabiler Kennlinie dosiert die Komponente Wasser zu. Zusätzlich wird eine weitere Komponente in Form eines Additivs mengenproportional eindosiert. Durchflussmesser überwachen die Durchsätze. Eine Differentialdosierwaage fördert den Feststoff zu. Über die Gewichtsabnahme im Vorlagebehälter pro Zeiteinheit wird hierbei der tatsächliche Massenstrom erfasst und der Antrieb entsprechend dem eingestellten Sollwert nachgeregelt. Mit der Anlage können bis zu 20 m³/h Stärkesuspension mit einer Feststoffkonzentration von bis zu 15 Prozent im Dauerbetrieb hergestellt werden. Auch bei der Herstellung von Lederhilfsstoffen, die größtenteils in der KFZ-Zulieferindustrie verwendet werden, findet eine vollautomatisch arbeitende MHD-Anlage Verwendung. Dazu wir eine Dispersion von Mineralpigmet in Polymer benötigt. Eine verstellbare Exzenterschneckenpumpe der MHD führt das flüssige Polymer zu. Auch hier überwacht ein Durchflussmesser den Durchfluss. Die Dosierung des Mineralpigments erfolgt mittels eines volumetrisch arbeitenden Schneckendosierers. Dieser wird über eine Rohrförderschnecke von einer Big-Bag-Entleerstation automatisch befüllt. Eine weitere Exzenterschneckenpumpe fördert aufgrund der hohen Viskosität von ca. 50.000mPas die fertige Polymer-Mineralpigment-Dispersion am Auslass der MHD zum nächsten Produktionsabschnitt. Die Gesamtkapazität dieser Anlage liegt bei ca. 2 m³/h. Diesem Projekt sind zahlreiche Versuche direkt beim Kunden und im Technikum des Herstellerwerkes vorausgegangen. Immer wieder wurden neue Rezepturen auf ihre industrielle Machbarkeit hin untersucht. Nicht zuletzt durch die kontinuierliche Verarbeitung der Bestandteile konnte eine ausgezeichnete Qualität erreicht werden.
Die MHD ist ebenso für den Einsatz im staubexplosionsgefährdeten Bereich einsetzbar. So findet zum Beispiel eine MHD der Baugröße 05 bei einem Kunden in Skandinavien zum inline Vermischen und Dispergieren von Aktivkohle in Wasser Verwendung. Die Maschine ist gemäß Ex-Richtlinie 94/9/EG wie folgt klassifiziert: Ex II 2GD cb EEx de II C T3 IP65 T135°C.
Polymermodifiziertes Bitumen (PmB)
Hier handelt es sich um Bitumen, die durch chemische Vernetzung von Destillationsbitumen und Polymeren entstehen. Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind besonders beanspruchte Verkehrsflächen im Straßen- und Flughafenbau sowie die Herstellung hochwertiger Dach- und Dichtungsbahnen. Eine Zahnradpumpe transportiert das auf etwa +180 °C aufgeheizte Bitumen zur MHD. Ein Massendurchflussmesser regelt den Volumenstrom. Alle Leitungen, Armaturen sowie Pumpe und MHD sind beheizt. Der Feststoff, ein Polymer – Styrol-Butadien-Styrol („SBS“) – wird volumetrisch mittels eines Schneckenförderes zugeführt. Mit dieser volumetrischen Arbeitsweise werden zwischen drei und zehn Prozent „SBS“ kontinuierlich zudosiert. Die Kapazität der eingesetzten Anlage liegt bei bis zu 35 m³/h. Um die Anforderungen, die die hohen Temperaturen stellen, zu erfüllen, sind spezielle Elastomere notwendig. Der Sperrdruckkreislauf der doppeltwirkenden Gleitringdichtung der MHD-Maschine ist beheizbar. Zudem kommt eine spezielle Sperrdruckanlage zum Einsatz.
Herkömmliche Verfahren beinhalteten zunächst das Aufheizen des Bitumens mit anschließender Zugabe des Polymers in einen Behälter. Um die Bildung von Agglomeraten zu verhindern und die vollständige Lösung des Polymers zu erreichen, findet vielfach ein langsam laufendes Rührwerk Verwendung. So benötigte man für ca. 25 m³ polymermodifiziertes Bitumen mit drei Prozent Polymeranteil rund drei Stunden, um das SBS vollständig zu lösen. Zu den Vorteilen, die sich aus einem kontinuierlichen Verfahren ergeben, zählen: eine erhebliche Zeitersparnis, da Klumpenbildung ausgeschlossen werden kann, geringere thermische Belastung des Polymers durch kürzere Bearbeitungszeit, zeitlich konstante Mischungsqualität, Einsparung von Rohstoff aufgrund eines besseren Quellverhaltens und schnelleren Einbringens sowie höhere Wirtschaftlichkeit im Vergleich zur Chargenproduktion.
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