Worum geht es?

Im Rahmen eines Produktionsprozesses müssen Pulver transportiert werden. Pneumatische Fördersysteme sind häufig eine effiziente Möglichkeit, Pulver im Vergleich zu anderen mechanischen Methoden (Verwendung von Säcken oder Behältern, Einsatz von Förderbändern usw.) zu bewegen.

Es gibt jedoch verschiedene Methoden zur Durchführung des pneumatischen Transports, wie z. B. Druckluftförderung oder Vakuumtransportsysteme für Pulver. Jede Methode hat Vor- und Nachteile, daher muss die Wahl der Technologie nach einer kurzen Studie getroffen werden. Diese Studie muss die Prozessanforderungen, aber auch den Einfluss des pneumatischen Transports auf die Produkte berücksichtigen.

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1. Arten von pneumatischen Förderern

Was ist pneumatischer Transport?

In jedem Fall erfordert der pneumatische Transport ein Gas als Fördermedium für das Pulver. Dieses Gas wird auf einer Seite des Prozesses eingeblasen, und das Gemisch aus Gas und Pulver strömt durch die Förderleitungen bis zu seinem Endziel. In den meisten Fällen wird als Gas Luft verwendet. Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten, die Luft einzublasen und das Pulver in die Förderleitungeinzutragen. Folglich wurden im Laufe der Zeit verschiedene Transporttechnologien entwickelt.

Welche Arten von pneumatischen Fördersystemen werden typischerweise verwendet?

Dünnphase / verdünnte Phase

Eine sehr häufige Methode zum Transport von Pulvern ist der Transport in verdünnter Phase. Das Pulver wird durch die Luft verdünnt, was bedeutet, dass das Verhältnis (kg Produkt/kg Luft) niedrig ist. Das Produkt wird in Form einer Wolke in den Förderleitungentransportiert.

DRUCK-Dünnphase

Die Luft in der Förderleitung kann mit Hilfe eines Gebläseseingeleitet werden, wobei zu Beginn der Förderleitungein Überdruck herrscht. In diesem Fall spricht man von DRUCK-Dünnphase.

VAKUUM-Dünnphase

Statt das Gebläse am Anfang der Förderleitunganzuordnen, kann es auch am Ende platziert werden. In diesem Fall erzeugt das Gebläse ein VAKUUM, das Luft in die Förderleitungsaugt. Diese Luft zieht das Pulver mit und transportiert es zum Endbehälter.

Dichtphase

Die andere Option zum Transport von Pulvern besteht darin, das Produkt mit einer viel höheren Konzentration zu fördern. Ein Transport wird als Dichtphase bezeichnet, wenn das Verhältnis (kg Produkt/kg Luft) hoch ist. Auch ein solcher Transport kann im Druck- oder Vakuumbetrieb durchgeführt werden.

DRUCK-Dichtphase

Bei der Druck-Dichtphase muss die Luft auf einen höheren Druck als in der Dünnphase komprimiert werden. Dies kann durch die Installation eines speziellen Kompressors oder einfach durch die Verwendung von Druckluft aus dem Druckluftnetz der Fabrik erfolgen. Die erreichten Drücke liegen im Bereich von ca. 1 bar ü (Überdruck) bis zu mehreren bar ü. Um das Pulver in die Transportleitungeinzutragen, werden häufig druckfeste Behälter verwendet. Diese werden als Drucktanks oder Drucksendetrichter bezeichnet.

VAKUUM-Dichtphase

Die Vakuum-Dichtphase weist eine ähnliche Anordnung wie die Dünnphase auf. Um jedoch höhere Feststoffbeladungen und den damit verbundenen höheren Druckverlust zu bewältigen, wird eine Vakuumpumpe anstelle eines einfachen Roots- Gebläsesverwendet. Dadurch wird ein sehr hohes Vakuum erzeugt.

Zusammenfassungstabelle

Tabelle 1 : Vor- und Nachteile der verschiedenen pneumatischen Fördertechnologien

Phase	Antriebskraft	Feststoffbeladung	Druck	Erreichbare Distanz	Vorteile	Nachteile
Verdünnte Phase	Druck	5–15	Max. 800 mbarÜ	150–200 m oder mehr	Einfach Intuitiv und für Bediener leicht verständlich	Erfordert Zellenradschleuse bei der Produktaufnahme Luft kann nach der Kompression heiß sein
Verdünnte Phase	Vakuum	5–15	Max. -500 mbarg	100 m	Einfach Produktaufnahme vereinfacht (keine Zellenradschleuse erforderlich) Luft wird bei Umgebungstemperatur angesaugt	Begrenzte Distanz im Vergleich zur Druckförderung Der Betrieb kann Produktionsmitarbeitern als empfindlicher erscheinen
Dichte Phase	Druck	25–30	Von 1 barÜ bis zu mehreren barÜ	Kann 150+ m betragen, jedoch können andere Faktoren die Distanz begrenzen	Große Distanzen erreichbar Hohe Produktdurchsätze erreichbar	Hoher Druckluftverbrauch Verwendung eines Druckbehälters Schwieriger Zugang zum Inneren des Druckbehälters
Dichte Phase	Vakuum	25–30	Bis -900 mbar	~50–100 m	Kein Verbrauch von Druckluft Einfache Produktaufnahme, leichter Zugang zum Sendetrichter	Begrenzt in Distanz und Förderhöhe

Dichte Phase – Varianten

Bei der Förderung in dichter Phase können Lieferanten unterschiedliche Technologien einsetzen, die zu einem unterschiedlichen Verhalten des Pulvers in der Förderleitung. In der einfachsten Konfiguration bilden sich natürlicherweise Pfropfen unterschiedlicher Länge. Dies kann Probleme hinsichtlich des Druckverlusts verursachen, da möglicherweise nur ein einziger langer Pfropfen entsteht. Um dieses Phänomen zu reduzieren, gibt es Möglichkeiten, die Bildung kürzerer Pfropfen zu erzwingen. Dies geschieht durch gepulste Ventile, die Luft am Anfang der Förderleitung oder in Zwischenabschnitten einlassen. Ein Nachteil ist, dass die in die Förderleitung eingeleitete Luft eine Beschleunigung des geförderten Produkts am Ende der Strecke bewirkt, was sich nachteilig auf die Produktqualität (Bruch) auswirken kann.

Strömungsregime

Achtung: Nicht alle Feststoffe können mit jeder Technologie transportiert werden. Tatsächlich hängt die Eignung einer bestimmten Technologie von den Fluidisierungseigenschaften des zu transportierenden Feststoffs ab. Vor der Auslegung eines Systems muss die Klasse des Feststoffs bestimmt werden. Eine solche Klassifizierung erfolgt anhand der von Geldart 1973 vorgeschlagenen Einteilung.

• Klasse A : Pulver, die für die Förderung in dichter Phase geeignet sind; sie weisen eine sehr hohe und anhaltende Aeration auf. Sie können in hoher Konzentration gefördert werden, bilden jedoch natürlicherweise keine Pfropfen – ein aktives System ist daher erforderlich, um diese zu erzeugen.

• Klasse B: Pulver, die für die Förderung in dichter Phase geeignet sind und natürlicherweise in Pfropfen (Dünenströmung) fließen.

• Klasse C: diese kohäsiven Pulver sind wahrscheinlich nicht in dichter Phase förderbar, es gibt jedoch Ausnahmen.

• Klasse D: diese Pulver können in dichter Phase mit Konzentrationen zwischen Klasse B und Klasse A gefördert werden.

Abbildung 1 : Geldart-Klassifizierung

Die Dichte ρ_p der in der obigen Grafik verwendeten Partikel ist definiert als die Masse eines Partikels geteilt durch sein Volumen, einschließlich offener und geschlossener Poren.

Es ist wichtig zu verstehen, wie sich die Konzepte der verdünnten und dichten Phase auf die Strömungsweise des Produkts in der Leitung auswirken. Grundsätzlich können je nach Geschwindigkeit des Fördergases fünf Strömungsregime identifiziert werden.

Tabelle 2 : Förderphasen

Geschwindigkeit des Gases	Strömungsregime	Förderleitung Erscheinungsbild	Bemerkungen
Hohe Geschwindigkeit (15–40 m/s)	Verdünnte Phase		Grundsätzlich kann jeder Feststoff in verdünnter Phase gefördert werden, jedoch sind die auf den Feststoff wirkenden Belastungen nur für Produkte geeignet, die nicht bruchempfindlich sind und die nicht zu hart oder abrasiv für die Rohrleitungen sind. Die Partikel sind im Gas suspendiert und lagern sich nicht auf den Förderrohrenab.
Mittlere Geschwindigkeit (8–15 m/s)	Dichte Phase (springende Strömung)		Wenn die Gasgeschwindigkeit abnimmt, sinkt der Druckverlust auf ein Minimum, und einige Partikel bilden eine durchgehende Schicht in horizontalen Rohrabschnitten. Die Ablagerungen sind nicht dauerhaft, und die Förderung findet tatsächlich statt. Die Konzentration ist über einen Rohrabschnitt nicht konstant, da sich mehr Partikel am Rohrboden befinden.
Niedrige Geschwindigkeit (3–8 m/s)	Diskontinuierliche dichte Phase – Dünenströmung		Bei weiterer Verringerung der Gasgeschwindigkeit steigt der Druckverlust erneut an, und es bildet sich ein Strömungsregime mit Pfropfen. Die Dünenströmung tritt tatsächlich bei feinen Produkten auf. Der Druckverlust hängt von der Länge der gebildeten Pfropfen ab, daher besteht der Anreiz, diese aktiv durch den Prozess zu steuern. Eine gängige Methode für dieses Strömungsregime besteht darin, regelmäßige Lufteinblasungen in die Leitung zu installieren, die helfen, die Pfropfen zu "teilen".
Niedrige Geschwindigkeit (3–8 m/s)	Diskontinuierliche dichte Phase – Pulsierend		Dieses Strömungsregime ähnelt der oben beschriebenen Dünenströmung, tritt jedoch eher bei grobkörnigen Materialien auf. Bei Beobachtung der Strömung ist deutlich erkennbar, dass sie startet/stopp – also "pulsiert". Pfropfen entstehen natürlicherweise dank der höheren Porosität des Feststoffs im Vergleich zu kohäsiveren Pulvern.
Sehr niedrige Geschwindigkeit (3–8 m/s)	Kontinuierliche dichte Phase		Bei weiterer Verringerung der Gasgeschwindigkeit und für Feststoffe, die in diesem Regime förderbar sind, stellt sich eine kontinuierliche Strömung in dichter Phase ein. Grundsätzlich gibt es nur einen großen Pfropfen. Dies führt jedoch zu sehr hohen Druckverlusten, was dieses Regime auf sehr kurze Distanzen beschränkt.

Es ist zu beachten, dass sich die Partikel mit einer geringeren Geschwindigkeit bewegen als das Gas. Je nach Strömungsregime kann die mittlere Partikelgeschwindigkeit 0,4- bis 0,8-mal so hoch sein wie die Gasgeschwindigkeit.

2. Aufbau der verschiedenen pneumatischen Fördersysteme

DRUCK – Verdünnte Phase

Der Luftförderer in Druck-Verdünntphase-Systemen ist in den meisten Fällen ein Gebläse oder Verdichter. Die häufigste Bauart ist der Einsatz eines Roots-Gebläses. Gebläse , das eine gute Zuverlässigkeit mit hohem Luftdurchsatz verbindet und für die meisten industriellen Anforderungen ausreichend Druck erreichen kann. Dieses Gebläse ermöglicht das Erreichen von maximal 1 bar (Überdruck).

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, für spezifische Anwendungsfälle Druckluft zu verwenden, wobei ein Venturi-Rohr zum Aufnehmen des Pulvers eingesetzt wird. Diese Lösung ist jedoch nicht besonders wirtschaftlich und sollte daher auf sehr spezielle Fälle und geringe Durchsätze beschränkt bleiben.

Um das Pulver in die Förderleitung einzubringen, sollte eine Zellenradschleuse verwendet werden. Diese Ausrüstung ermöglicht eine grobe Dosierung des Pulvers in die Leitung, was notwendig ist, um Verstopfungen zu vermeiden. Ihre Hauptfunktion besteht jedoch darin, den Bereich mit hohem Druck (die Leitung) vom Bereich mit niedrigem Druck (den Pulvereintrittstrichter) zu isolieren. Dadurch wird verhindert, dass Luft in das Produkt eindringt und dessen Fluss behindert.

Der Empfänger ist in den meisten Fällen mit einer Zellenradschleuse ausgestattet, um eine Trennung von Luft und Produkt zu ermöglichen. In einigen Fällen kann auf eine solche Schleuse verzichtet werden, wenn der Empfänger groß genug ist und die Situation sicher ist (z. B. direkte Entleerung in ein Silo).

Abbildung 2: Typische Prozessanordnung für Druck-Dünnphasenförderung

VAKUUM - Dünnphase

Bei der Vakuum-Dünnphasenförderung ist der Luftförderer im Grunde derselbe wie bei der Druck-Dünnphasenförderung, mit dem Unterschied, dass er am Ende der Leitung positioniert ist und dadurch die Luft ansaugt sowie ein Vakuum erzeugt. Das erzeugte Vakuum beträgt etwa -500 mbar (Überdruck) am Saugstutzen des Verdichters.

Am Produktaufnahmepunkt ist ein Lufteinlass erforderlich, um den angesaugten Luftstrom in die Leitung zu ermöglichen. Auf der Produktseite ist hier keine Zellenradschleuse erforderlich, da die Luft in Richtung des Produkts strömt und dessen Fluss daher nicht behindert. Dennoch ist ein System zur Steuerung der Produktaufnahme (z. B. Schnecke, einfaches Ventil) notwendig, um zu vermeiden, dass ein plötzlicher Produktstrom die Leitung verstopft.

Am Empfangspunkt ist es bewährte Praxis, einen Zyklon mit einer Zellenradschleusezu positionieren. Die Konstruktion muss berücksichtigen, dass der Luftstrom aus der nachgeschalteten Ausrüstung diesmal gegen das Produkt strömt. Eine ordnungsgemäße Entlüftung muss vorgesehen werden.

Die typische Instrumentierung sollte folgende Komponenten umfassen: Drucksensor am Saugstutzen des Verdichters, Differenzdruckmessung über dem Filter, Füllstandssensor am Empfänger

Abbildung 3: Typische Prozessanordnung für Vakuum-Dünnphasenförderung

Vakuum-Fördersysteme für Pulver gewinnen aufgrund ihrer einfachen Produktaufnahme und verbesserten Eindämmung an Beliebtheit. Im Falle einer Leckage strömt Luft in Richtung des Prozesses, und das Produkt bleibt in der Anlage.

DRUCK - Dichtphase

Die Druck-Dichtphasenförderung erfordert einen speziell konstruierten Sendetrichter, der in den meisten Fällen Drücken von 1 bis 3–4 bar (Überdruck) standhält. Ein solcher Behälter wird als Drucktank bezeichnet. Er verfügt über einen Drucklufteinlass oben und einen weiteren nach dem Auslassventil. Zudem sollte er mit einem Drucksicherheitsventil ausgestattet sein, um unkontrollierte Druckerhöhungen zu vermeiden. Ein Entlüftungssystem mit einem Filter muss ebenfalls installiert werden.

Der Empfänger muss mit einem Filter ausgestattet sein und kann bei Bedarf zusätzlich mit einer Zellenradschleuse versehen werden. Wenn der Empfänger groß genug ist und für atmosphärischen Druck ausgelegt ist, kann auf eine solche Ausrüstung möglicherweise verzichtet werden.

Zur Instrumentierung gehören Drucksensoren im Tank, am Leitungsanfang und am Empfänger, da das gesamte System druckabhängig gesteuert wird. Füllstandssensoren im Sendetrichter sind erforderlich, um das Ende des Befüllens und Entleerens zu erkennen, während ein Füllstandssensor am Empfänger installiert werden sollte, um Überfüllung zu vermeiden. Durchflussmesser für Druckluft sind optional, stellen jedoch ein nützliches Werkzeug zur Fehlerbehebung dar.

Abbildung 4: Typische Prozessanordnung für Druck-Dichtphasenförderung

VAKUUM - Dichtphase

Ein Vakuum-Dichtphasensystem ähnelt weitgehend einer Dünnphasen-Anordnung, mit dem Unterschied, dass eine Vakuumpumpe installiert werden muss, die Drücke von <-900 mbar (Unterdruck) erreichen kann.

Der Materialeinlass erfolgt in der Regel über einen Sendetrichter. Für diesen ist keine spezielle Bauweise erforderlich, was im Vergleich zur Druck-Dichtphase ein Vorteil sein kann, da der Zugang einfacher ist.

Der Empfänger muss hingegen für Vollvakuum ausgelegt sein, was bedeutet, dass er verstärkt werden muss und damit höhere Kosten verbunden sind. Er sollte mit einer Zellenradschleuse oder einem Klappenventil ausgestattet sein, falls der Transport chargenweise erfolgt.

Ein Drucksensor am Empfänger und am Saugstutzen der Pumpe ist erforderlich. Die Pumpe sollte frequenzgeregelt sein.

Abbildung 5: Typische Prozessanordnung für Vakuum-Dichtphasenförderung

3. Auslegung – Kurzverfahren für die Dünnphasen-Pneumatikförderung

Die Details der Methode und Beispiele sind in unserem Handbuch für pneumatische Förderung

SCHRITT 1 – Erfassung der Eingangsstudien-Daten

Das zu fördernde Produkt muss bekannt sein, insbesondere:
- Mittlere Partikelgröße (µm)
- Schüttdichte (kg/m³)
- Partikeldichte (kg/m³)

Die Geometrie der Förderleitung muss bekannt sein:
- Länge (m)
- Höhenunterschied (m)
- Anzahl der Bögen und Winkel

Der angestrebte Fördermengenstrom muss im Voraus bestimmt werden (kg/h).

Einige Annahmen oder Auslegungsentscheidungen müssen getroffen werden:
- Art des Luftförderers / Verfügbarer Druckabfall
- Druck an Produktaufnahme- und Empfängerpunkt – Angestrebte Förderkapazität

SCHRITT 2 – Annahme eines Rohrdurchmessers

Schätzen Sie den Rohrdurchmesser basierend auf Erfahrungswerten. Dies ist der Ausgangspunkt für das Auslegungsverfahren, und der Wert wird später im Prozess bei Bedarf überprüft und angepasst.

SCHRITT 3 – Annahme eines Druckabfalls für die Leitung

Schätzen Sie basierend auf Erfahrung den Druckabfall, der in der Leitung zu erwarten ist. Der Wert wird später im Verfahren überprüft und ggf. revidiert. Für eine bestimmte Technologie sollte sich dieser Wert nicht stark ändern. Beispielsweise sollte der Druckabfall bei einem Gebläse irgendwo zwischen 0,3–0,7 bar liegen.

SCHRITT 4 – Berechnung der Lufteintrittsgeschwindigkeit

Eine gängige Regel besagt, dass C1 (Geschwindigkeit an der Aufnahme) = 1,2 * Cmin (minimale Luftgeschwindigkeit) angenommen wird. Cmin ist entweder bekannt, wenn das Material gebräuchlich oder für das fördernde Unternehmen üblich ist. Falls Cmin unbekannt ist, muss es durch Überprüfung der Sinkgeschwindigkeit eines frei fallenden Partikels berechnet werden; die minimale Luftgeschwindigkeit muss größer als dieser Wert sein.

SCHRITT 5 – Berechnung des Luftmassenstroms

Auf Basis der oben getroffenen Annahmen kann der Luftmassenstrom mit folgender Formel berechnet werden:

SCHRITT 6 – Berechnung des Feststoff-Beladungsverhältnisses

Das Verhältnis wird aus der angestrebten Feststoff-Förderrate und dem oben berechneten Luftmassenstrom ermittelt.

Mit m_{_p} als Produktmassenstrom in t/h, m_{_a} als Förderluftmassenstrom in kg/s,

SCHRITT 7 – Überprüfung der Lufteintrittsgeschwindigkeit in der Förderleitung

Dieser Schritt gilt nur für Materialien, die in der Dichtphase gefördert werden.Für solche Materialien berechne C1 = 36Φ^{^-0,3}^·7 m/s

Falls dieser Näherungswert von dem in Schritt 4 ermittelten Wert abweicht, kehre zu Schritt 4 zurück und ersetze den Wert.

SCHRITT 8 – Überprüfung des Druckabfalls in der Förderleitung

Verwenden Sie ein Modell , um den Leitungsdruckabfall mit allen in den vorherigen Schritten gesammelten Daten zu berechnen. Falls der berechnete Druckabfall von dem in Schritt 3 geschätzten Wert abweicht, muss zu Schritt 3 zurückgekehrt und der Wert ersetzt werden.

Modelle

Solche Modelle sind für die Dünnphasenförderung verfügbar. Falls das System für die Dichtphase ausgelegt wird, sind empirische Werte aus Tests erforderlich.

Kurzverfahren zur Berechnung der Verdünnungsphasen-Pneumatikförderung

Druckabfall-Methode für reine Luft

Universelle Förderkennlinien-Methode

Details zu solchen Methoden finden sich in der Fachliteratur.

SCHRITT 9 – (Nur wenn der in SCHRITT 8 berechnete Druckabfall stark von der ursprünglichen Schätzung abweicht) Anpassung des Materialmassenstroms

Falls der berechnete Druckabfall stark vom in SCHRITT 3 angenommenen Wert abweicht, kann es notwendig sein, auch den Produktmassenstrom zu korrigieren.

SCHRITT 10 – (Nur wenn die beiden vorherigen Schritte kein zufriedenstellendes Ergebnis lieferten) Neuselektion des Rohrdurchmessers

Falls die Auslegung stark vom Ziel abweicht, sollte der Rohrdurchmesser geändert und die Berechnung so lange wiederholt werden, bis die Eingangs- und Ausgangswerte für den Druckabfall nahezu gleich sind.

SCHRITT 11 – Berechnung der benötigten Leistung

Für dieses Kurzverfahren kann die Leistung mit folgender Schätzung berechnet werden:

SCHRITT 12 – Neubewertung des Systems

Dieser Schritt dient dazu, dem Ingenieur eine kritische Überprüfung der bisher berechneten Daten zu ermöglichen und diese mit seiner Erfahrung abzugleichen. Falls notwendig, sollten einige Werte modifiziert und das Verfahren wiederholt werden.

SPEZIFIZIERUNG des Systems

Auf Basis der durchgeführten Berechnungen sind der gewählte Rohrdurchmesser sowie die Luftanforderungen zu spezifizieren.

4. Fehlerbehebung in pneumatischen Fördersystemen

Bei Betrieb einer pneumatischen Förderleitung können folgende Phänomene beobachtet werden. Für jedes Problem werden eine häufige Ursache und eine mögliche Maßnahme angegeben.

Tabelle 3: Fehlerbehebung im Förderleitungsbetrieb

5. Hersteller von pneumatischen Fördersystemen

Die Auswahl eines Lieferanten für Ihr neues pneumatisches Fördersystem sollte sorgfältig erfolgen, um sicherzustellen, dass der ausgewählte Hersteller über das erforderliche Fachwissen und die Erfahrung in Ihrem Anwendungsbereich verfügt. Zu den Auswahlkriterien sollten bestehende Referenzen gehören, sowie die Verfügbarkeit einer Versuchsanlage zur Materialprüfung, da pneumatische Förderung stark materialabhängig ist. Zudem sollte der Hersteller in der Lage sein, präzise und prägnante technische Erklärungen während der Projektbesprechung zu liefern.

Die folgenden Unternehmen sind Anbieter von pneumatischen Fördersystemen (für Dünnstrom- oder Dichtstromförderung):

• Sautelma: http://www.sautelma-rotolok.fr/

• Linxis Group: https://linxisgroup.com/

• Lessine: https://www.lessine.com/

(Hinweis: PowderProcess.net steht in keiner Verbindung zu diesen Unternehmen)