Bild: Volkmann

Pumpen & Kompressoren Damit Pulver nicht zündet

17.02.2016

Modulare Fördersysteme tragen dem Trend zur Individualisierung in der Materialförderung Rechnung. Zentral dabei: die Auswahl der zündquellenfreien Vakuumerzeugung. Eigens kons­truierte durckluftbetriebene Mehrstufenejektoren haben sich in Anwendungen für Pulver, Granulate und Schüttgüter bewährt.

Die mehrstufigen Multijector-Vakuumpumpen erzeugen den zur pneumatischen Förderung erforderlichen Luftvolumenstrom bei einem optimalen Fließdruck von 5,5 bar. Dabei werden Saugvolumen von bis zu 1.256 m³N/h (freie Einsaugung) und – falls erforderlich – Unterdrücke bis zu -960 mbar erzielt. In manchen Anwendungsfällen ist es jedoch schwierig, einen Betriebsdruck von 5,5 bar während der pneumatischen Förderung aufrechtzuhalten. Das gilt insbesondere, wenn mehrere Verbraucher zugleich gespeist werden müssen oder werkseitig ein dynamischer Druck von nur 4 bar gewährleistet wird. Dafür steht ein alternatives Düsensystem zur Verfügung, welches das maximale Vakuum schon bei einem Betriebsdruck von nur 3,5 bar erzielt. Dies ist insbesondere wichtig, wenn der Vakuumförderer nicht nur zur Pfropfenförderung von Pulvern und Schüttgütern eingesetzt wird, sondern auch zum Transfer von Flüssigkeiten und viskosen Medien. Hier findet der Fördervorgang oft ohne Sekundärluft statt, was ein hohes Endvakuum erfordert.

Zugleich bleiben bei diesem Düsensystem die gewohnten Vorteile wie Verschleiß- und Wartungsfreiheit, geringe Baugröße, niedriges Gewicht und die durch die Mehrstufigkeit günstige Druckluftausnutzung erhalten. Durch die modulare Konstruktion der Multijector-Vakuumpumpen verdoppelt sich mit dem Niederdruck-Düsensystem die Anzahl der nutzbaren Modelle und ermöglicht so eine – auch in kritischen Fällen – bessere Anpassung an die jeweilige Förderaufgabe.

Ein weiterer Vorteil liegt im taktweisen Betrieb der Vakuumpumpe, da Schüttgut meist diskontinuierlich gefördert wird. Müssen konventionelle, mechanische Sauglufterzeuger aufgrund langer Ansprechzeiten auch während der Ruhephasen durchlaufen, steht beim Multijector das erforderliche Vakuum im Millisekunden-Bereich an. Dies spart nochmals Energie. Fehlt die zum pneumatischen Fördern nötige Druckluftversorgung, werden entweder Kompressorstationen mit ausgelegt oder alternativ spezielle, elektromechanische Vakuumpumpen projektiert. Zugleich stehen vorab die verschiedenen Arten der Vakuumerzeugung zu Testzwecken zur Verfügung. Insbesondere im chemisch-pharmazeutischen Bereich müssen alle produktberührenden Teile des Vakuumförderers ohne großen Aufwand zu reinigen und zerlegen sein. Der Hersteller stellt dies durch den Aufbau à la Baukastenprinzip sicher: Der Vakuumförderer lässt sich schnell und ohne Werkzeug in leicht zu reinigende Module zerlegen.

Kompakt und mobil

Sollte jedoch beispielsweise die Reinigung in den Gesamtprozess der Anlage integriert sein, werden WIP/CIP-Lösungen realisiert. Bausteine für dieses Konzept sind einteilige Abscheidebehälter und spezielle, extern angesteuerte Armaturen für den Vakuumförderer. Die gesamte Pneumatik befindet sich außerhalb des produktberührenden Bereichs. Zudem können verschiedene Edelstähle eingesetzt werden. Im Innenraum ermöglicht die Konstruktion ohne Spalten und Toträume eine gründliche Spülung. Je nach Reinigungsmethode sind auch Kombinationen von WIP und CIP möglich. Auch hier lässt sich der Vakuumförderer leicht und ohne Werkzeug manuell zerlegen und reinigen.

Der gesamte Vakuumförderer hat ein geringes Gewicht und lässt sich problemlos transportieren und damit auch mobil an mehreren Stellen einsetzen. Die einzelnen Bauteile sind so leicht und klein, dass sie zum Beispiel einfach in einer Waschmaschine gereinigt werden können. Meist wird ein Vakuumförderer direkt über der zu beschickenden Einheit montiert. Da bei bestehenden Anlagenkomponenten der verbleibende Freiraum zur Hallendecke oft relativ gering ausfällt, ist es in diesen Fällen besonders wichtig, die Gesamtbauhöhe des Förderaggregates flexibel zu gestalten. Durch den modularen Aufbau kann die Bauhöhe in mehreren Schritten reduziert und optimal den räumlichen Gegebenheiten angepasst werden. Zusätzlich bietet sich der mobile Einsatz eines Vakuumförderers an. Aufgrund des geringen Gewichts wird der Vakuumförderer dann entweder an der jeweiligen zu beschickenden Einheit (zum Beispiel Mischer) direkt von einem Bediener von Hand aufgesetzt. Oder die Montage erfolgt in einem höhenverstellbaren Fahrwagen. Dieser fährt dann über den Pulver-Abgabeort; die Höhenverstellung erlaubt eine staubfreie Andockung. Die Hub- und Schwenkbewegungen können optional manuell oder automatisch ausgeführt sein. Der Fahrwagen wird praktischerweise zur Unterbringung aller für die Förderung nötigen Zusatzeinrichtungen genutzt. Das können Steuerung, Sauglanze, Förderschlauch, HEPA-Filter oder die Vakuumpumpe sein. Mitunter dient der höhenverstellbare Fahrwagen nur der einfachen Entnahme des Vakuumförderers im Waschraum. Neben anderen Zündquellen können elektrische Aggregate in pneumatischen Förderanlagen zur Funkenbildung führen und so Staubexplosionen mit weitreichenden Folgen erzeugen. Gerade bei konventionellen Förderanlagen besteht die Möglichkeit, dass elektrische Felder und Funken durch Bauteile (Motoren, Spulen, Ventile etc.) des Förderers selbst erzeugt werden. Es gilt folglich, diese Komponenten in der Nähe eines Fördersystems zu vermeiden. Des Weiteren sind elektrostatische Aufladungen durch Ladungstrennungen während des Fördervorgangs zu beachten.

Heißlaufen nicht möglich

Die pneumatische Vakuumförderung bietet prinzipiell größere Sicherheiten als die Druckförderung, da der Sauerstoffanteil, der zur Entstehung eines zündfähigen Gas-Luft-Gemisches erforderlich ist, im Unterdruckbereich geringer ist als bei Überdruck. Im Gegenteil: Überdruck bedeutet verhältnismäßig mehr Sauerstoff. Ist der Anfangsdruck schon erhöht, fällt auch der Explosionsenddruck wesentlich höher aus. Es verwundert folglich nicht, dass die meisten explosionstechnischen Kenndaten von Stoffen im Unterdruckbereich weniger kritisch sind als bei der Anwendung von Überdruck. Zusätzlich lässt sich bei der Vakuumförderung einfach durch gezieltes Eindüsen eines Inertgases an der Saugstelle der Sauerstoffanteil weiter reduzieren. Neben der Analyse der jeweiligen physikalischen und chemischen Eigenschaften des zu fördernden Pulvers oder Schüttgutes verlangen die einzelnen Baugruppen des Fördersystems eine genauere Untersuchung. Multijector-Vakuumförderer werden ausschließlich mit Druckluft betrieben. Auch die Steuerung des Förderers erfolgt in der Regel rein pneumatisch. Somit lassen sich elektrische Anlagenteile als mögliche Zündquelle ausschließen. Konventionelle Vakuumerzeuger generieren eine nicht unerhebliche Reibungs- und Strahlungswärme und erhöhen so die Gefahr für eine mögliche Entzündung. Druckluftbetriebene Vakuumpumpen nach dem Multijector-Prinzip hingegen arbeiten mit expandierenden Luftströmen und kühlen sich folglich im Betrieb sogar ab. Ein „Heißlaufen“ wie bei mechanischen Pumpen ist nicht möglich.

Besondere Gefahrenquellen für die Entstehung einer klassischen Funkenentladung stellen in Fördersystemen isolierte, aber leitfähige Teile dar. Das können nicht geerdete und durch eine Dichtung isolierte Revisionsklappen, nicht geerdete Filterstützkörbe, isoliert montierte Förderleitungen oder Entkopplungen sein. Zwei weitere Kenngrößen für das elektrische Aufladungspotenzial an diesen Anlagenteilen sind die Kapazität und der Luftspalt zwischen den Teilen im System, da diese Bauteile wie ein Kondensator wirken können. Erreicht die Aufladung einen kritischen Wert, kann in Abhängigkeit von der gespeicherten Energie ein Funke zwischen den beiden leitfähigen Bauteilen überspringen. Diese sogenannte Funken­entladung hat eine sehr hohe Zündwirksamkeit für Stäube (in Abhängigkeit der Mindestzündenergie) und somit auch für Gase und hybride Gemische (Gas- / Staubgemische). Die Bauweise der Multijector Vakuumförderer verhindert die Entstehung dieser Ladungsnester, weil alle produktberührenden Teile elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind und Ladungen über einen gemeinsamen Erdungs-Anschluss abfließen. Bei der Verwendung von Saugschläuchen bieten sich elektrostatisch ableitfähige Varianten an, wobei auch die in den Schlauch eingearbeitete Drahtspirale geerdet wird.

Ein weiteres Kriterium zur Beurteilung des Gefahrenpotenzials ist das innere Volumen des Förder- und Empfangsbehälters. Untersuchungen haben gezeigt, dass unterhalb einer bestimmten Behältergröße bei der Vakuumförderung nur sehr geringe Aufladungen auftreten können. Dies gilt nicht nur für die Betrachtung von eventuell möglichen Schüttkegelentladungen. Bedingt durch die äußerst geringe Baugröße und das zyklische Fördern (Einsaugen – Entleeren) vergleichsweiser geringer Pulvermengen, haben sich Multijector-Vakuumfördersysteme als besonders sicher erwiesen. Belegt wird dieses u.a. durch Vakuumförderversuche gemeinsam mit einem bedeutenden chemischen Unternehmen und durch Messungen des TÜV. Als Fördergut wurde beispielsweise ein PE-Granulat-/Pulvergemisch verwendet, welches sich extrem gut statisch aufladen lässt. Das Schüttgut wurde aus einem Vorlagebehälter über eine Distanz von 27 m in ein Fass gefördert. Während des Fördervorganges wurde das elektrische Feld E [kV/m] gemessen. Alle gemessenen Werte lagen um den Faktor 100 niedriger als die in der Literatur angegebenen kritischen Werte.

Auch auf die Fördergeschwindigkeit kommt es an. In kritischen Fällen sollten die Bereiche Flugförderung (niedrige Gutbeladung) mit 20 bis 30 m/s vermieden werden. Gerade hier bieten Multijector-VakuumpumpenVorteile, da sie im Bedarfsfall ein für Luftstrahlpumpen hohes Endvakuum von rund 90 mbar absolut erzeugen. Folglich kann hiermit die Pfropfenförderung (hohe Gutbeladung) realisiert werden und die Luftgeschwindigkeit reduziert sich auf weit unterhalb von 9 m/s auf bis zu 1 m/s. Falls im Fördersystem Teile aus aufladbaren, jedoch selbst nicht leitfähigen Materialien vorhanden sind, ist auch die Möglichkeit einer Büschel- oder Gleitstielbüschelentladung zu betrachten. Neuere Erkenntnisse haben gezeigt, dass für reine Stäube Büschelentladungen nicht zündwirksam sind. Dies hat durchaus Auswirkungen auf konstruktive Details des Vakuumförderers. So können beispielsweise bestimmte Materialien, die vorzugsweise in der pharmazeutischen Produktion erwünscht sind, im produktberührenden Bereich eingesetzt werden. Dies wird in den Atex-Zertifikaten und Baumusterprüfbescheinigungen des Herstellers verbrieft. Sind brennbare Gase, extrem zündwillige Schüttgüter oder hybride Gemische zu fördern, kann optional der eigentliche Fördervorgang unter inerten Bedingungen erfolgen.

Grundlage für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb einer Vakuumförderanlage liegt eindeutig aufseiten des präventiven Explosionsschutzes und dem Vermeiden wirksamer Zündquellen. Aus Explosionsschutz-technischer Sicht macht es wenig Sinn, den Abscheidebehälter druckfest aufzubauen, da aufgrund kleiner Volumina eine wirksame Explosionsunterdrückung während des Fördervorganges nicht praxisgerecht ist. Im Förderbetrieb sind immer mindestens zwei Leitungen geöffnet. Eine bei druckfesten Systemen in Kauf genommene Explosion kann sich so ungehindert und beschleunigt ausbreiten. Die Folgen einer Druckwelle in Rohren mit nachfolgender Flammfront und Übertragung auf vorgeschaltete Vorratsbehälter sind fatal.

Bildergalerie

  • Beschickung einer Tablettenpresse mittels Vakuumförderer (oben im Bild)

    Bild: Volkmann

  • Modulare Vakuumförderer für den pneumatischen Transport von Schüttgütern

    Bild: Volkmann

  • Druckfester INEX-Vakuumförderer zur Beschickung eines Reaktors mit pulvrigen Feststoffen

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel