Thema des Monats Dezember: Mischerleistung und Glasgemengequalität

Die Herstellung einer optimalen Glasgemengequalität hängt nicht nur von der Mischerleistung ab!

Gemengemischer, die zu der Gruppe der mechanischen intensiven oder nicht intensiven Rührer gehören, decken derzeit einen großen Arbeitsbereich ab, der von kleinen Labormischern (1 Liter) bis zu großen Industriegeräten (5m²) reicht. Typen wie Drehtrogmischer, Bandmischer, kreiselnde Schraubenmischer, Pflugmischer und Ringtrogmischer werden oft in der Glasindustrie eingesetzt. Eine Weiterentwicklung der Rührwerkzeuge geht immer noch einher in Kombination mit der Suche nach einem effizienteren Weg der Energieeinspeisung in das Gemenge. Aufgrund der größer werdenden Vielfalt von zu mischenden Materialien und der gestiegenen Anforderung an die Gemengequalität sind eine Vielzahl von Mischern an mehr als einen Anwendungszweck angepasst worden. Wie viele andere Prozessausrüstungen war die Entwicklung der Mischer ausschließlich auf Erfahrung basierend.

Das Fehlen verlässlicher gestaffelter Tabellen bedeutet ein Problem für einen Prozessingenieur, die richtige Auswahl für seine besondere Anwendung zu treffen. Selbstverständlich verfügen Mischerhersteller zweifellos über eine große Anzahl von Auswertungsdaten aus ihren eigenen Testläufen. Jedoch ist es bedauerlich, dass die meisten Mischerhersteller die Leistungsdaten ihrer Mischer ziemlich unübersichtlich darstellen. Dies deckt oft ihre kommerzielle Absichten ab, während die Mischerleistungsdaten oft die wichtigen Informationen vermissen lassen, die es ermöglichen würden, einen objektiven Vergleich zu treffen. Hersteller stellen Ihre Mischerleistungsdaten als "Anwendungsbereich" dar, was das auch immer bedeuten mag. Wenn man solche Kataloge und Berichte liest, scheint es, dass alle Mischertypen bestmögliche Leistung erbringen, mit einem Unterschied von unter 0,5%. Die Auswahl eines Mischers bleibt unzweifelhaft eine schwierige Angelegenheit, wobei der Prozessingenieur sich einer großen Vielfalt von Ausrüstungen gegenüber sieht und dabei relativ wenig greifbare Daten hat, anhand derer er eine begründete Entscheidung treffen kann.

Philips und Mischen

Philips Glass Industry hat dieses verbreitete Datenproblem mehrfach während der letzten 25 Jahre erfahren, als es eine Auswahl von Mischern für seine Glas- und Nicht-Glas-Gemengeanlagen treffen musste und zeigt eine willkürliche Vielfalt von Mischern für den selben Einsatzzweck. Weltweit betreibt Philips etwa 40 Mischer in seinen Gemengeanlagen, deren gesamte verarbeitete Rohstoffmenge etwa 600.000 Tonnen pro Jahr beträgt. Vor etwa 15 Jahren hat Philips Glass Industry die Entscheidung getroffen, die weniger effizienten Vormischereinheiten für Feinstbestandteile (<500 ppm) zu eliminieren. Neue Typen von Intensivmischern waren in der Lage als Reihenmischer auch Feinstbestandteile von bis zu 100ppm zu verarbeiten. Um dieses neue Phänomen zu untersuchen und die tatsächlichen Mischerleistungsdaten zu überprüfen wurde ein verlässliches Gemenge-Homogenitäts-Messverfahren gebraucht. Die "Abweichungsanalyse" Methode hatte bereits bewiesen, dass sie ein verlässliches Werkzeug für die Definierung des Abweichungs-Koeffizienten (VC) als Index für die Gemengehomogenität war. Im Falle der Feinstbestandteile beim Reihenmischen zeigten die VC-Ergebnisse, dass die Leistung der Intensivmischer in der Tat vergleichbar mit dem traditionellen Vormischer-Verfahren war, oder sogar besser. Die "Abweichungsanalyse" Methode zeigte sich als verlässlich und wird immer noch für die Überprüfung der Leistung von Gemengemischern und dem Zustand der Gemengequalität eingesetzt.

Definierung der VC Mischerleistung

Obwohl einige Mischerhersteller die Verlässlichkeit der Bestimmung der Gemengehomogenität im Mischer selbst anzweifeln (Sie bevorzugen Entnahme am Mischerausgang) hat sich Philips hierfür entschieden, weil die Wiederholgenauigkeit mit dieser ausgewählten Methode gute Ergebnisse gezeigt hat. Hierfür ist ein aussagekräftiger, messbarer Indikator wichtig, um ein verlässliches Ergebnis zu erhalten. Dieser Indikator wird als Gradmesser für die gesamte Gemengezusammensetzung angesehen und in einer Menge von 100 ppm dem Gemenge hinzugesetzt. Um diesen Indikator im Gemenge aufzuspüren, wird üblicherweise Röntgenfluoreszenz eingesetzt. Es werden aber auch Photospektralanalyse oder säurelösliche Mittel angewendet. Für die Analyse wird eine Serie von 5 (20 ppm) Proben an verschiedenen Stellen im Mischer entnommen (Es wird ebenfalls eine Serie von 10 Proben getestet, aber die Resultate unterscheiden sich nicht sehr). Man muss darauf achten, dass die Proben nicht von der Gemengeoberfläche entnommen werden, was bedeutet, dass ein Probenentnahmelöffel mit abnehmbarem Deckel (siehe Bild) eingesetzt werden muss. Für eine verlässliche Anwendung der Abweichungsanalyse-Methode ist die Probengröße auf 30ppm begrenzt. Die Proben werden aus dem stillstehenden Gemenge im Mischer entnommen, wofür der Mischer normalerweise in 1-minütigen Abständen angehalten wird.


Probenentnahmelöffel mit Deckel


Probenentnahme im Mischer


Jede Probe wird in 4 Unterproben aufgeteilt, wodurch man eine Gesamtzahl von 20 Proben für die Analyse erhält. Der Grund für die Weiteraufteilung ist die korrekte Auswertung der Abweichungsanalyse durch Ausschluss von Messfehlern, somit werden die sogenannten "Zwischenabweichungen" anstelle der "Gesamtabweichung" ermittelt. Das gesamte Abweichungsergebnis zeigt immer ein besseres Resultat und wird deshalb unzweifelhaft wesentlich öfter verwendet. Die korrekte Auswertung der Abweichungsanalyse wird auf den F-Faktor überprüft, einer statistischen Überprüfung für die Anwendung der Abweichungsanalyse.

F Faktor = s²(zwischen) / s²(innerhalb) beträgt >3

Die Formel für die "Abweichung zwischen" ist:

s² (zwischen) = {(Summe der Quadrate gesamt - Summe der Quadrate innerhalb) } / {(Freiheitsgrade gesamt) - (Freiheitsgrade innerhalb )}

Die Formel für den Abweichungskoeffizienten (Homogenitätsindex):

VC(zwischen) = s (zwischen)/ Gesamtdurchschnitt * 100%


Beispiel einer Berechnungstabelle einer Serie von 5x4 Proben

Leistung der verschiedenen Mischertypen

Philips hat die Leistung fast aller seiner Gemengemischer mit der Abweichungsanalyse-Methode überprüft. Bei jedem Mischertyp wurde eine Serie von 5x4 Proben in Ein-Minuten Abständen bis zu einer Gesamt-Mischzeit von 6 Minuten entnommen. Um die Wiederholbarkeit zu überprüfen wurde dieses Verfahren zweimal durchgeführt. Jeder Punkt in der VC Kurve ist das Ergebnis von 20 Analysen, so dass insgesamt 120 Analysen erforderlich sind, um eine VC Kurve für einen Mischer darzustellen. Obwohl die Analysemethode teuer ist, kann sie in jedem Fall durch eine sorgfältige Auswahl des Indikators ausgeglichen werden. Auf jeden Fall müssen die Kosten immer mit den erwarteten Ergebnissen stimmig sein.

Die Erste der VC-Messungen zeigt die Leistungen von vier "Nicht-intensiven" Mischern, die ein trockenes Glasgemenge für Beleuchtungsglas ohne Scherbenzusatz verarbeiten - dargestellt für: Schrauben-Kreiselmischer, Bandmischer, Ringtrogmischer und Drehtrogmischer. Der Gemengeenergieverbrauch für den Kreiselmischer und den Bandnmischer beträgt 1kW für 200 kg und 2 kW/100 kg für den Ringtrogmischer und den Trogmischer.



Der Trogmischer zeigt ab einer Mischzeit von 1 Minute die besten Ergebnisse. Eie Leistung des Kreisel-Schraubenmischers wurde zusätzlich nach einer Mischzeit von 30 Minuten getestet und zeigte einen VC-Level von etwa 35%.

Die zweite Serie VC-Messungen zeigt die Leistungen von vier "Intensivmischern", die ebenfalls ein trockenes Glasgemenge für Beleuchtungsglas ohne Scherbenzusatz verarbeiten, und zwar: Ringtrogmischer mit Intensivrotor, Pflugscharmischer mit Intensivrotor, Drehtrogmischer (horizontal) mit Intensivrotor und Drehtrogmischer (20° geneigt) mit Intensivrotor. Die Gemengeenergieverbrauch liegt bei 5kW/100 kg.



In dieser Serie liefert der geneigte Drehtrogmischer wesentlich bessere Ergebnisse als die anderen. Jedoch ist es notwendig und auch lohnend zu wissen, ob die bestmögliche Gemengehomogenität auch wirklich für die Glasherstellung erforderlich ist. Es machte etwas aus, als Philips versuchte, die Produktivität einer bestimmten Glasfabrik zu optimieren. Es galt, die Schmelzleistung eines Glasröhrenofens zu steigern. Philips führte einige Untersuchungen in Hinblick auf das Verhältnis zwischen der Gemengehomogenität und der spezifischen Glasschmelzrate (SMR) durch. Ergebnisse zeigten, dass, um die Ofenleistung bei 90% zu halten, die SMR nur dann von 60 auf 75 (kg/m².hr) gesteigert werden konnte, wenn die Gemengehomogenität auf ein Niveau von VC<10 gebracht würde. Aus diesem Phänomen hat Philips gelernt und bevorzugt nunmehr geneigte Drehtrogmischer für Spezialanwendungen. Bei PhilipsŽ Glasöfen für Fernsehröhren sind die Anforderungen an das Glasgemenge sogar noch strenger, nämlich noch weiter hinunterreichend auf VC<5.

Und was ist mit der Gemengequalität!

In der Glasindustrie wiegt die Gemengequalität weit mehr als die Mischerleistung, es ist das Ergebnis eines sorgfältig getroffenen Kompromisses zwischen Homogenität, Beschaffenheit, und Fließeigenschaften, wohl wissend, dass die Gemengezusammensetzung und die Fließeigenschaften immer in Konflikt zueinander stehen. Die bestmöglich erreichbare Gemengehomogenität steht nur unter den vorgegebenen Material-Korngrößen-Bedingungen in Bezug zur Mischerleistung. In der Gemengeverarbeitung kommt es oft vor, dass die Homogenität sofort im Moment der Entladung des Mischers abzunehmen beginnt und sich dies durch das Transportverfahren weiter fortsetzt. Diese Abnahme der Homogenität einzuschränken ist also eine Sache der richtigen Auswahl des Beschaffenheitsgrades und der Fließbedingungen des Gemenges



Die Gemengebeschaffenheit kann durch Auswahl der Gemengebestandteile in kleiner Korngröße, kleiner Korngrößenverteilung und Anfeuchten des Gemenges (hauptsächlich mit Wasser oder Öl) verbessert werden. Das Gemengeflussverhalten kann durch Auswahl von Gemengebestandteilen in größeren Korngrößen und vorzugsweise trockenem Gemenge verbessert werden. Da ein Kompromiss unausweichlich ist, ist es für die Prozessingenieure wichtig, dass die Gemengemisch- und -transportanlagen richtig ausgewählt werden.

Die dritte Serie der VC-Messungen zeigt die Abnahme der Gemengehomogenität im Fluss vom Mischer zum Ofeneinleger in Zusammenhang mit dem Feuchtigkeitsgrad im Gemenge.



Schlussfolgerung

Eine bestmögliche Gemengequalität auf den Punkt genau herzustellen, wenn sie gebraucht wird, ist nicht nur eine Sache der Mischerleistung. Gemengequalität erfordert eine optimale Auswahl der Gemengebeschaffenheit, um eine Entmischung während des Transportweges zum Ofeneinleger zu verhindern, wobei die optimalen Gemengeflussbedingungen beibehalten werden müssen. Gemengequalität erfordert auch eine bewusste Auswahl der Gemengetransportausrüstung und "mass flow" Silo-Design für die Gemengelagerung, trotz der Erkenntnis, dass die erforderliche Gemengehomogenität für jedes Glas unterschiedlich ist. Ich persönlich denke, dass die Anwendung von Intensivmischern in der Glasindustrie unumgänglich ist, da die erreichbaren Verbesserungen der Homogenität die Glasproduktivität und den Ofen-Energieverbrauch begünstigen.

Quelle: OGIS GmbH, glassglobal.com
in Zusammenarbeit mit
Philips Lighting Components, department IS&S
Kontakt: Powder Technology & Project Management,
Herr Fons Rikken 00-31-(0)402788492,
e-mail und mit :
Maschinenfabrik Gustav Eirich