Dosierung von Flüssigkeiten

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Flüssig – ein heikler Zustand

Was ist überhaupt eine Flüssigkeit? Was im Alltag völlig klar (oder auch manchmal trüb) ist, ist in der Physik ein Definitionsproblem. Flüssig ist der Zustand zwischen fest und gasförmig. Die Viskosität einer Flüssigkeit variiert je nach Druck und Temperatur. Diese beiden Parameter bestimmen auch den Phasenwechsel zu fest und gasförmig. Der sensible Charakter flüssiger Produkte macht die Handhabung entsprechend heikel. Brabender Technologie ist auf die Dosierung dieser delikaten Substanzen spezialisiert und kreiert individuelle Lösungen.

Die Temperatur entscheidet nicht nur generell über den Aggregatzustand, sondern auch über die Viskosität, also die Zähflüssigkeit. Wasser hat bei 20 Grad Celsius eine Viskosität von einer Millipascalsekunde (mPa•s). Traubensaft liegt bei zwei bis fünf, Olivenöl bei 102, Honig bei 104 und Teer bei 105. Bei unterschiedlichen Druckverhältnissen verändern sich diese Werte. „Deshalb haben wir für Flüssigkeiten kein großes Repertoire an Standard-Dosierern, sondern ein grund­legendes Dosiererdesign, das wir dann für jeden Auftrag individuell neu anpassen. Jede unserer Liquid-Anlagen ist einzigartig“, erläutert Thomas Neuhaus. Er und sein Kollege Adrian Baron konzipieren seit über zehn Jahren Flüssigkeits-Dosieranlagen für Brabender Technologie.

„Herz und Lunge der Anlage sind die Dosier­einheit, das Wägesystem und die Pumpe, in der Regel eine Kolbenmembran- oder Zahnradpumpe. Das hängt unter anderem von der Viskosität des Stoffes ab“, veranschaulicht Adrian Baron. Die Nervenbahnen sind die Mess- und Regeltechnik. „Um diese Kernelemente herum ist die Peripherie dann abhängig von Stoff, Menge und Käuferwünschen“, ergänzt Thomas Neuhaus. Zum Grundaufbau gehört das Befüllventil, das ein Nachtropfen verhindert. Vor und hinter der Wägeeinheit mit Behälter und gravimetrischer Wägezelle befinden sich flexible Kompensatoren. An den unteren Kompensator schließt sich die Pumpe an.

Ein Sonderfall in der Dosierung stellt das Coriolissystem dar, das Brabender Technologie nur auf Kundenwunsch verbaut. Hierbei handelt es sich um ein Durchflussmessgerät, das mit sehr hoher Genauigkeit arbeitet und direkt in Flüssigkeitsströme beziehungsweise Rohrleitungen integriert werden kann. Es kommt hauptsächlich bei sehr großen Mengen über 1.000 Litern/Stunde zum Einsatz, wo eine Waage kaum noch Sinn macht und das wesent­lich teurere Coriolissystem sich rentiert. Im Anlagendesign ergeben sich bei dieser Variante erhebliche Unterschiede, da es kein entkoppeltes Wägesystem gibt. Das Messgerät wird direkt hinter der Pumpe platziert und bestimmt die Drehzahl ihres Motors.

Eine Frage der Pumpe
Für niedrigviskose Stoffe werden im Normalfall Kolbenmembranpumpen verwendet, die ähnlich wie der Herzmuskel arbeiten: Ein Kolben erzeugt einen Unterdruck, der eine Membran anhebt und dadurch Flüssigkeit durch ein Einlassventil einströmen lässt. Die Gegenbewegung sorgt für eine Kontraktion und das Ausströmen der Flüssigkeit durch das Auslassventil. Diese Pumpen haben gegenüber einfachen Kolbenpumpen den Vorteil, dass die zu transportierende Flüssigkeit an keiner Stelle mit dem Antrieb und damit verbundenen Schmierölen oder Ablagerungen in Kontakt kommt. Das ist besonders wichtig bei Nahrungsmitteln und im Hygienic-Bereich, aber auch für viele chemische Anwendungen.
Ein Nachteil der Kolbenmembranpumpe besteht in ihrer Amplitude: Durch den Wechsel von Ein- und Ausströmen durch den Kolbenhub entsteht ein pulsierender Durchfluss. „In Prozessen, die darauf sensibel reagieren, setzen wir einen Pulsationsdämpfer ein“, erklärt Flüssigkeitsspezialist Neuhaus. „Dabei handelt es sich um einen Behälter mit einer Membran, die ein Gasvolumen vom Fördermedium trennt. Während des Pumpstoßes wird eine Teilmenge der Flüssigkeit in den Pulsationsdämpfer gedrückt und während der Saugphase wieder abgegeben.“ Damit arbeitet der Pulsationsdämpfer immer im Gegentakt zur Pumpe. „Wenn der Prozess sehr konstant sein soll, setzen wir mehrere Pumpenköpfe ein oder wechseln – wenn möglich – den Pumpentyp.“


Dann kommen Zahnradpumpen zum Einsatz: Sie gehören zu den kontinuierlich fördernden Pumpen ohne Pulsation. Ihr Einsatzgebiet sind Prozesse mit mittlerer bis hoher Viskosität. Sie vertragen auch hohen Druck und hohe Temperaturen, sind genau bei kleinen und kompakt bei großen Leistungen. Brabender Technologie arbeitet eng mit den Pumpenherstellern zusammen, um die optimale Pumpe für die jeweilige Anwendung zu bekommen. Weit seltener werden Pumpentypen wie Exzenterschneckenpumpen, Steuerkolbenpumpen oder Schlauchpumpen verwendet.

Heiß oder kalt – flüssig oder fest
Temperatur ist ein Faktor, der in der Verarbeitung von Flüssigkeiten elementar ist, schließlich bestimmt sie den Aggregatzustand und die Viskosität. Viele Öle sind beispielsweise deutlich dünnflüssiger, je wärmer sie werden. Chemikalien neigen vielleicht bei bestimmten Temperaturen zum Zerfall oder gar zur Explosion. „Weil die richtige Temperatur so entscheidend ist, bieten wir zwei Möglichkeiten an, unser System zu heizen.“ Adrian Baron zeigt diese auf: „Wir können den kompletten Aufbau doppelwandig realisieren, sodass die Anlage mit Wasser oder Thermoöl geheizt werden kann. Diese Variante bietet sich zum Beispiel an, wenn bei einer anderen Anwendung Abwärme anfällt oder wenn explosive Stoffe verarbeitet werden.“ Die Alternative ist eine elektrische Beheizung über Heizmanschetten. „Das hat den Vorteil, dass jedes Bauteil eine eigene Heizung und damit auch einen eigenen Regelkreis bekommt. Dann kann die Leitung von der Pumpe weg zum Beispiel stärker beheizt werden als die Dosiereinheit.“ Zehn bis 15 Regelkreise können da zusammenkommen. Welches Heizsystem letztlich eingesetzt wird, hängt von vielen Faktoren ab wie zum Beispiel der vorhandenen Peripherie oder dem Energiekonzept des Anwenders.

Am Anfang eines jeden Auftrags steht ein Datenblatt, das die Eigenschaften der Flüssigkeit und die Aufstellbedingungen für die Produktion vorgibt. Davon hängen dann der Aufbau der Anlage und die verwendbaren Materialen ab. Edelstahl und PTFE (Teflon®) halten viel aus, einzelne Dichtungen und andere Kunststoffelemente müssen aber produktabhängig ausgewählt werden. „Manchmal ist auch der Gebrauch von PTFE nicht erwünscht, dann müssen wir sehr kreativ werden. Solche Sonderwünsche wirken sich natürlich auch auf die Lieferzeit aus“, bemerkt Thomas Neuhaus. In der Regel vergehen 16 bis 20 Wochen von der Bestellung bis zur Inbetriebnahme einer Flüssigdosiereinheit. Über 100 davon stellt Brabender Technologie im Jahr her – und fast jede ist ein Unikat.

Varianten sind zum Beispiel verfahrbare Dosierer für Labore – hierbei handelt es sich um eine besondere Maßnahme zum Schutz der sensiblen Wägezelle, um die Masseplatte gegen Störungen durch Vibrationen der Umgebung abzusichern. Für kleine bis Kleinstleis­tungen ab etwa 50 Gramm / Stunde gibt es Ausführungen mit Handbefüllung. Zur leichteren Reinigung eignen sich Lösungen mit Clamp-Verbindungen zum schnelleren Zerlegen der Leitungsteile. „Wir bauen Vorlagebehälter von 50 bis 800 Dezimetern Volumen, zum Beispiel wenn das Produkt in Fässern geliefert wird und der Dosierprozess nicht durch einen Fasswechsel unterbrochen werden soll“, zählt Thomas Neuhaus weiter auf. Zudem baut Brabender Technologie auch ATEX-Ausführungen bei brennbaren Stoffen oder für den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung,

Standard bleibt Ausnahme
Die Ausnahme bildet die neue Standardvariante S-Type. „Wir bieten damit einen einfachen, kompakten und günstigen Dosierer für Flüssigkeiten an, der zwar nicht alles kann, aber für viele Anwendungen ausreicht“, erläutert Horst Vohwinkel, Geschäftsführer bei Brabender Technologie, die Modellstrategie. „Dieses Standardgerät hat eine kompaktere Bauweise mit wenigen Teilen. Die Pumpe sitzt zum Beispiel über dem Behälter und saugt die Flüssigkeit an, sodass kein Zulauf nötig ist. Außerdem spart dieses Design enorm Platz.“ Da ein Produktwechsel mit diesem Aufbau deutlich aufwendiger ist, eignet sich das Gerät vor allem für langfristige Produktionen, die keine Flexibilität und wenig Extras erfordern. „Wir bieten hier bewusst nur wenige Optionen an. Für individuelle Lösungen haben wir ein bewährtes System, dieses hier eignet sich nur für einfache Standard­anwendungen.“

 

(erschienen in FLUX 1/2016)