Verwendung dynamischer Pulvertests zur Optimierung von Verpackungsprozessen

18. Okt. 2016

Haver & Boecker ist ein spezialisierter Anbieter von Verpackungs- und Siebmaschinen für die verarbeitende Industrie mit Kundenschwerpunkten in den Bereichen Lebensmittel, Massenchemikalien und Farben. Eine Hauptaktivität ist die Spezifikation und Herstellung schlüsselfertiger Verpackungslösungen für Pulver und Granulate, zu denen typischerweise Folgendes gehören: Silos und Trichter zur Lagerung; Füllstationen für Intermediate Bulk Container (IBCs) oder 1-50-kg-Säcke; Dosier- und Wiegesysteme; und pneumatische Förderanlage. Jedes Jahr werden Hunderte kundenspezifischer Lösungen geliefert, wobei jedes neue Produkt eine andere Herausforderung bei der Pulververarbeitung darstellt. Vor etwa einem Jahrzehnt investierte Haver & Boecker in ein FT4-Pulverrheometer von Freeman Technology, Großbritannien, um die Fließfähigkeit der verarbeiteten Materialien zu messen und so eine effizientere und robustere Geräteauswahl und -optimierung zu gewährleisten. In diesem Artikel wird untersucht, welchen Einfluss die präzise Messung des Pulverdurchflusses hatte und wie das Unternehmen die vom Instrument gelieferten Daten nutzt, um seinen Ansatz für die Gerätekonstruktion und -spezifikation zu verfeinern.Fließfähigkeit in der Verpackungsindustrie Für Haver & Boecker beginnt jedes neue Verpackungslösungsprojekt mit einer Beurteilung der physikalischen Eigenschaften des zu verarbeitenden Materials. Die Sicherstellung eines kontinuierlichen Materialflusses durch eine Verpackungslinie ist von entscheidender Bedeutung und hängt von der Auswahl der Ausrüstung ab, die gut auf die inhärenten Eigenschaften des verarbeiteten Pulvers oder Granulats abgestimmt ist. Langfristig beeinträchtigt eine schlechte Übereinstimmung die Rentabilität, da der Durchsatz sinkt, es zu Maschinenstillständen und übermäßigen Ausfallzeiten kommt und die Notwendigkeit manueller Eingriffe steigt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, zu ermitteln, welche physikalischen Eigenschaften gemessen werden müssen, um diese Probleme zu vermeiden. Eigenschaften wie Dichte, Partikelgrößenverteilung, Feuchtigkeits- und Fettgehalt, Verdichtung und Partikelform werden seit langem als Leitfaden für die Geräteauswahl gemessen. Diese Parameter beeinflussen alle das Materialverhalten und die Fließfähigkeit des Pulvers – eine entscheidende Eigenschaft für die Verarbeitung und Verpackung. Das Unternehmen erkannte jedoch, dass diese Parameter selbst in Kombination nicht ausreichten, um die Fließfähigkeit zuverlässig in einer Weise zu quantifizieren, die mit der Anlagenleistung korreliert – eine wichtige Information fehlte für eine robuste Gerätespezifikation. Frühe Versuche, diese Informationslücke durch direkte Messung der Fließfähigkeit zu schließen, konzentrierten sich auf die Verwendung einer Jenike-Scherzelle. Bei dieser Technik werden die Kräfte gemessen, die erforderlich sind, um eine verfestigte Pulverebene relativ zu einer anderen zu scheren, und die Kohäsion eines Pulvers anhand der Werte der uneingeschränkten Streckgrenze (UYS) und anderer Parameter quantifiziert. Diese Daten werden häufig bei der Konstruktion von Trichtern, zur Fehlerbehebung bei der Trichterentleerung und allgemeiner auch zur Bewertung der Fließfähigkeit verwendet. Allerdings kann die Scherzellenanalyse je nach verwendetem Instrument manuell aufwändig und zeitaufwändig sein und von Bediener zu Bediener erheblichen Schwankungen unterliegen. Haver & Boecker stellte fest, dass es bis zu einem halben Tag dauern kann, nur ein Produkt mit der Scherzelle zu messen, und dass die resultierende Klassifizierung des Pulvers aufgrund der Variabilität des Bedieners zwischen „freifließend“ und „klebrig“ variieren kann Technik. Offensichtlich war dies alles andere als eine ideale Lösung, und es wurde beschlossen, nach Alternativen zu suchen.Umfassende dynamische Pulverprüfung Als Haver & Boecker etwa 2005 begann, alternative Methoden zur Messung der Pulverfließfähigkeit zu erforschen, war die dynamische Pulverprüfung eine relativ neue Technik; Seine industrielle Relevanz war weitgehend unbewiesen, aber die möglichen Vorteile waren bereits klar. Dynamische Tests ermöglichten im Gegensatz zum bestehenden Scherzellenaufbau relativ schnelle und effiziente Messungen und, was ebenso wichtig ist, prozessrelevante Daten. Dynamische Tests sind äußerst empfindlich und können Pulver unterscheiden, die durch die Scherzellenanalyse als identisch eingestuft werden, wodurch Unterschiede hervorgehoben werden, die sich auf die Prozessleistung auswirken. Eine strenge technische Bewertung führte dazu, dass das Unternehmen zu dem Schluss kam, dass eine Investition in die Fähigkeit zur dynamischen Pulverprüfung den Zugang zu den allerbesten verfügbaren Fließfähigkeitsdaten ermöglichen würde, und wurde einer der ersten Anwender des FT4-Pulverrheometers von Freeman Technology. Die anfängliche Schulung für das FT4-Pulverrheometer war umfassend und das Gerät wurde schnell routinemäßig eingesetzt, wobei die Bediener die Messung als einfach und unkompliziert empfanden. Seitdem bietet das FT4-Pulverrheometer 10 Jahre lang ununterbrochenen, wartungsfreien Betrieb. In dieser Zeit wurden jedes Jahr etwa 1000 Proben analysiert, ein beachtlicher Arbeitsaufwand, der auf die beeindruckende Zuverlässigkeit zurückzuführen ist.Dynamische Daten nutzen Eine Hauptschwierigkeit bei der Spezifikation jeglicher Art von Pulververarbeitungsausrüstung besteht darin, dass es nur wenige sichere Entwurfsalgorithmen gibt, die die Leistung verschiedener Ausrüstungsteile mit messbaren Pulvereigenschaften verknüpfen. Das Trichterdesign ist wohl der Bereich, in dem ein „wissenschaftlicher“ Ansatz am besten etabliert ist, aber selbst hier kann eine robuste Optimierung schwierig sein. Der pragmatische Ansatz für diejenigen, die routinemäßig mit der Spezifikation von Verarbeitungsgeräten für Pulver und Granulate konfrontiert sind, besteht daher darin, eine Datenbank zu entwickeln, um messbare Materialeigenschaften mit der beobachteten Prozessleistung zu verknüpfen. Lösungen, die bei Pulvern mit bestimmten Eigenschaften gut funktioniert haben, funktionieren wahrscheinlich auch bei Pulvern mit sehr ähnlichen Eigenschaften. Haver & Boecker hat den Einfluss der Fließfähigkeit auf die Geräteleistung umfassend untersucht, indem es im letzten Jahrzehnt den BFE jedes gehandhabten Pulvers gemessen hat. Pulver mit demselben oder einem ähnlichen BFE-Wert erfordern in der Regel eine ähnliche Verpackungsausrüstung, da der Einfluss des Flusses so entscheidend ist, aber auch andere Eigenschaften werden berücksichtigt, um die beste Lösung zu gewährleisten. Durch die Korrelation von Erfahrung mit dynamischen Messungen hat das Unternehmen effektiv seinen eigenen internen Designprozess geschaffen und verfeinert. Da bereits seit einem Jahrzehnt Daten vorhanden sind, können sich Ingenieure absolut auf diesen Prozess verlassen und mit einem hohen Maß an Vertrauen Lösungen mit geringem Risiko liefern. Insbesondere können Konstruktionen entwickelt werden, die die Luftmenge im Prozess minimieren und so den Durchsatz maximieren. Die Minimierung des Luftgehalts in verpackten Pulvern maximiert die Beutelfüllung und ist daher ein entscheidendes Ziel der Branche. Die im Pulver enthaltene Luftmenge wirkt sich jedoch direkt auf die Fließfähigkeit des Pulvers aus. Geräte wie Belüftungsdüsen werden daher routinemäßig eingesetzt, um weniger frei fließende Pulver zu schmieren und so ihre Fließleistung zu verbessern. Durch die robuste Quantifizierung der Fließfähigkeit und dynamische Tests ist es Haver & Boecker gelungen, die Luftmenge in ihren Verpackungslösungen auf ein absolutes Minimum zu reduzieren und so den Durchsatz zu optimieren und gleichzeitig das Risiko von Verstopfungen/Ausfallzeiten im Prozess zu verringern. Dies ist ein wichtiger Gewinn, der die Bereitstellung äußerst wettbewerbsfähiger Verarbeitungslösungen untermauert.Beispielstudie: Eine Verpackungslösung für Kakao Tabelle 1 zeigt Testdaten für zwei verschiedene Kakaopulver, einschließlich Feuchtigkeitsgehalt, Schüttdichte und BFE-Werte. Diese Daten deuten darauf hin, dass es sich zwar um Proben des „gleichen“ Produkts handelt, diese sich jedoch deutlich unterscheiden. Kakao 1 hat eine höhere Schütt-, Schütt- und Stampfdichte und zeigt außerdem ein homogenes Belüftungsverhalten, was darauf hindeutet, dass die Zugabe von Luft jedes einzelne Partikel effektiv schmiert. Im Gegensatz dazu kanalisiert Cocoa 2, wenn es belüftet wird, eine Reaktion, die typischerweise mit relativ starken interpartikulären Kräften einhergeht, und entlüftet schneller. Dies sind äußerst relevante Merkmale bei der Auswahl von Verpackungslösungen. Der BFE von Kakao 2 ist wesentlich niedriger als der von Kakao 1, was darauf hindeutet, dass er wahrscheinlich leichter fließt. Versuche mit beiden Produkten wurden in einer „Air Packer“-Maschine durchgeführt (siehe Abbildung 2). Diese besteht aus einer Druckkammer mit geneigtem Boden, die eine einfache Entleerung und Reinigung ermöglicht und die Anpassung der Belüftungsrate an die Eigenschaften des Produkts ermöglicht. Kontinuierliche Absaugung während des Abfüllens gewährleistet hohe Füllraten bei minimalem Beutelinnendruck. Bei den Versuchen dauerte das Befüllen eines einzelnen 25-kg-Beutels mit Kakao 2 23 Sekunden. Dies führte zu einer Füllmaschinenleistung von 110 Beuteln pro Stunde. Wie aus den BFE-Zahlen hervorgeht, floss Kakao 1 nicht so gut und es dauerte 30 Sekunden, bis dieses Pulver denselben Beutel füllte. Die Maschinenleistung sank auf 90 Säcke pro Stunde. Diese Ergebnisse sind typisch für die Ergebnisse, die bei einem breiten Spektrum verschiedener Produkte beobachtet wurden, und zeigen, wie BFE-Werte verwendet werden können, um die wahrscheinliche Leistung von Verpackungslösungen vorherzusagen und realistische Erwartungen hinsichtlich der Füllrate und des Durchsatzes sicherzustellen.Abschließende Gedanken Eine umfassende physikalische Charakterisierung bildet die Grundlage für die Gestaltung/Auswahl jeder Verpackungslösung. Für Haver & Boecker hängt die Kundenzufriedenheit von der Definition einer Verarbeitungslösung ab, die für ihr Produkt von Anfang an zuverlässig funktioniert, ohne dass Änderungen oder Fehlerbehebungen erforderlich sind. Daher ist die Optimierung des physikalischen Charakterisierungsprozesses von entscheidender Bedeutung. Der Einsatz der dynamischen Pulverflussmessung mit dem FT4-Pulverrheometer hat sich im Vergleich zu alternativen Pulvertestoptionen als äußerst effizient erwiesen und liefert äußerst relevante Daten für die Auswahl der Verarbeitungsausrüstung. Das Unternehmen misst nun die Fließfähigkeit jeder erhaltenen Probe. Die Korrelation der Ergebnisse mit der Verarbeitungserfahrung, die über ein Jahrzehnt solcher Tests gesammelt wurde, hilft dabei, die beste Verpackungsmaschine für jedes Produkt zu ermitteln. Durch die Anwendung dieses Ansatzes kann das Unternehmen zuverlässig leistungsstarke Verpackungslösungen für eine Vielzahl von Materialien spezifizieren, die den Durchsatz maximieren und gleichzeitig das Betriebsrisiko minimieren. ___________________________________________________________________________________Dynamische Pulverprüfung Bei der dynamischen Pulverprüfung handelt es sich, wie der Name schon sagt, um die Messung eines Pulvers in Bewegung. Dynamische Pulvereigenschaften werden durch Messungen des Drehmoments und der Kraft bestimmt, die auf eine spiralförmige Klinge wirken, während diese entlang einer definierten Bahn durch eine Pulverprobe rotiert. Proben können im konsolidierten, mäßig belasteten, belüfteten oder sogar fluidisierten Zustand gemessen werden, was den gesamten Spannungsbereich darstellt, der bei der routinemäßigen Pulververarbeitung vorhanden ist. Tatsächlich wurde die Technik speziell zum Testen von Pulvern zur Unterstützung von Prozessdesign-, Optimierungs- und Fehlerbehebungsstudien entwickelt und wird häufig verwendet, um das Verständnis dafür zu maximieren, wie sich ein Pulver in einer bestimmten Prozessumgebung verhält. Der Parameter Basic Flowability Energy (BFE) ist a Dynamische Grundeigenschaft, die quantifiziert, wie ein Pulver unter erzwungenen Bedingungen oder in einem eingeschlossenen Zustand fließt. Sie wird gemessen, indem das Pulver einer Abwärtsbewegung einer Klinge ausgesetzt wird, die es gegen den begrenzenden Boden der Probenzelle drückt. BFE ist ein hochgradig differenzierender Parameter, der Unterschiede zwischen Pulverproben erkennen kann, die andere Techniken als identisch einstufen würden. Es kann erfolgreich eingesetzt werden, um relativ geringfügige Änderungen der Pulver-/Granulateigenschaften zu verfolgen und sehr ähnliche Materialien im Hinblick auf ihre Verarbeitbarkeit zu unterscheiden.

Jamie Clayton ist Betriebsleiter bei Freeman Technology Ltd und Thomas Hilling ist Leiter des Forschungs- und Entwicklungszentrums bei Haver & Boecker. Weitere Informationen zu Freeman Technology Ltd finden Sie unter www.freemantech.co.uk. Weitere Informationen zu Haver & Boecker finden Sie unter www.haverboecker.com.

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