Segregation ist ein großes Problem in der pulververarbeitenden Industrie. 

Auf dieser Seite erfahren Sie mehr über dieses Thema:

  • Eine Definition des Begriffs Segregation einer Pulvermischung
  • Die internen und externen Faktoren, die die Segregation beeinflussen
  • Die wichtigsten Segregationsmechanismen
  • Methoden zur Vermeidung von Segregation

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Definition von Segregation

Segregation, auch als Entmischung bezeichnet, ist der Mechanismus, bei dem sich die Körner einer Mischung von den anderen Komponenten trennen. Dies stellt ein großes Problem für die pulververarbeitende Industrie dar.

Volledige ontmenging (segregatie)
Volledige ontmenging (segregatie)
Gedeelelijke ontmenging (segregatie)
Gedeelelijke ontmenging (segregatie)
Willekeurige menging
Willekeurige menging
Perfecte verdeling
Perfecte verdeling

Interne Faktoren, die die Segregation beeinflussen 

Die Ursachen der Segregation können sehr unterschiedlich sein, entstehen jedoch insbesondere dann, wenn sich die Mobilität der verschiedenen Pulverpartikel in einer Mischung unterscheidet. Diese Unterschiede in der Beweglichkeit ergeben sich aus den physikalischen Eigenschaften der Partikel. In erster Linie ist die Partikelgröße entscheidend, aber auch die Form, die Dichte und die Oberflächenstruktur der Partikel beeinflussen deren Mobilität. 

Externe Faktoren, die die Segregation beeinflussen

Es gibt auch verschiedene externe Faktoren, die Segregation verursachen können. Dazu gehören Schwerkraft, Vibrationen oder Scherspannungen, die in Maschinen und Prozessen auftreten, in denen Pulver hergestellt, verarbeitet oder gelagert werden. Alle diese externen Einflüsse können Segregationsprozesse in Gang setzen. Daher muss dies bereits bei der Planung einer Anlage berücksichtigt werden.

Oft ist nicht der Mischvorgang selbst, sondern vielmehr die nachfolgenden Prozessschritte die Hauptursache für Segregationsprobleme. Pneumatische Förderung, Transport per Lkw, das Entleeren und Befüllen von Chargen aus dem Mischer in Lagerbehälter oder für die weitere Verarbeitung sind Beispiele für Prozessschritte, die Segregation auslösen können. Dadurch kann ein nicht homogenes Pulvermischung entstehen.

Segregation in trockenen Pulver- und Granulatmischungen kann auch nach der Verarbeitung in der Produktion auftreten. Beispielsweise während der Lagerung im Warenlager, beim Transport zum Kunden, bei der Handhabung und Weiterverarbeitung beim Endverbraucher oder schließlich während der Nutzung oder des Konsums des Produkts.

Kurz gesagt, bei der Entwicklung neuer trockener Pulvermischungen müssen all diese möglichen Segregationsmechanismen berücksichtigt werden.

Das Prinzip hinter dem Tap-Density-Tester ist das Hausner-Verhältnis. Dabei wird davon ausgegangen, dass stark kohäsive Pulver auch starke gegenseitige Anziehungskräfte besitzen. Diese helfen, die Schwerkraft zu überwinden, sodass die Partikel sich selbst in leeren Räumen stützen können

Methoden zur Vermeidung von Segregation

Um Segregation zu vermeiden oder zu reduzieren, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden:

  • Änderung der Eigenschaften der Produktpartikel
  • Anpassung der Prozessführung oder Prozessreihenfolge
  • Optimierung des Anlagenlayouts

Bei der Änderung der Partikeleigenschaften stellt sich zunächst die Frage, ob diese überhaupt modifiziert werden dürfen oder ob sie für die gewünschten Produkteigenschaften essenziell sind. Falls Änderungen zulässig sind, kann die Kohäsion zwischen den Partikeln erhöht werden, indem sie verkleinert oder befeuchtet werden. Auch die Reduzierung der Unterschiede zwischen den Partikeln kann Segregation verringern. Dies kann durch eine Anpassung der Rezeptur oder durch das Verkleinern oder Agglomerieren von Fraktionen im Mischprozess erfolgen.

Die Anpassung der Prozessführung oder Prozessreihenfolge kann ebenfalls Segregation verhindern. Eine kritische Betrachtung des Prozesses kann Möglichkeiten aufzeigen, die Mischung so spät wie möglich im Prozess durchzuführen. Zudem kann eine Zwischenschritt zur Homogenisierung des Produkts vor der Weiterverarbeitung beitragen. Außerdem sollten Zwischenlagerung und Transport nach dem Mischen minimiert und, wenn möglich, in größeren Chargen durchgeführt werden.

Schließlich kann auch das Anlagenlayout zur Reduzierung von Segregation beitragen. Es gibt bestimmte Bereiche innerhalb einer Anlage, in denen das Risiko für Segregation besonders hoch ist. Kritische Zonen sind unter anderem:

  • Bereiche, in denen das Produkt im freien Fall transportiert wird, z. B. beim Befüllen eines Silos
  • Belüftung oder Begasung des Produkts, z. B. in einem Kühler
  • Bewegung des Produkts durch Fördersysteme wie Kettenförderer oder pneumatische Fördersysteme, aber auch Vibrationen während der Lagerung oder beim Transport zum Endkunden können Segregation verursachen

Ein durchdachtes Anlagendesign kann Segregationsprobleme verhindern. Durch vorherige Produkttests mit einer Powder-Flow-Analyse kann ein besseres Design für Silos und Bunker erstellt werden, um eine Masseströmung zu gewährleisten und Segregation in der Lagerung zu vermeiden. Außerdem sollte unnötiger Spielraum für Partikelbewegung vermieden werden, indem die Übertragungsraten so niedrig wie möglich gehalten werden. Vibrationen in der Anlage müssen reduziert werden, da sie dazu führen können, dass kleinere Partikel in die groben Bestandteile absinken. 

Das Prinzip hinter dem Tap-Density-Tester ist das Hausner-Verhältnis. Dabei wird davon ausgegangen, dass stark kohäsive Pulver auch starke gegenseitige Anziehungskräfte besitzen. Diese helfen, die Schwerkraft zu überwinden, sodass die Partikel sich selbst in leeren Räumen stützen können

Die drei Segregationsmechanismen

Die Segregation einer Pulvermischung bedeutet, dass sich die verschiedenen Arten von Partikeln im Gemisch vollständig voneinander trennen und sich entsprechend ihrer Eigenschaften gruppieren. Dies mag auf den ersten Blick widersprüchlich erscheinen, doch genau wie beim Mischen von Pulverpartikeln ist auch für die Entmischung eine gewisse Mobilität der Partikel erforderlich.

Pulverpartikel innerhalb einer Mischung können sich erheblich unterscheiden – sei es in Größe, Form oder Dichte. Dadurch verläuft die Segregation in einer Mischung oft ganz anders als in einer anderen.

In der Praxis basiert Segregation häufig auf einem oder mehreren der folgenden Grundmechanismen:

  • Kugelbahn-Prinzip
  • Elutriation
  • Perkolation

Beim Kugelbahn-Prinzip erhalten Pulverpartikel eine Anfangsgeschwindigkeit in horizontaler Richtung, bevor sie in den freien Fall übergehen. Während des Falls nimmt die horizontale Geschwindigkeit der Partikel ab, während die vertikale Geschwindigkeit aufgrund der Schwerkraft zunimmt. Die Flugbahn ähnelt einer abgeflachten Parabel. Aufgrund unterschiedlicher Widerstände, die die Partikel in der Luft erfahren, sowie Unterschiede in Dichte, Form und Größe landen sie an verschiedenen Stellen auf der Bodenfläche.

Zusätzlich sind viele Partikel innerhalb einer Pulvermischung in Bewegung. Da jedes Partikel seine eigene Richtung und Masse hat, kann es andere Partikel beeinflussen, wenn sie aufeinandertreffen, was die Segregation weiter verstärkt.

Segregatie - kogelbanen
Segregatie met kogelbanen (pijl toont richting van de kracht)
Segregatie - elutriatie
Elutriatie segregatie (pijl toon richting van lucht/gas flow)
Segregatie - percolatie
Percolatie segregatie (pijl toon richting van trillingskracht)

Segregation durch Elutriation tritt auf, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas durch ein Partikelbett mit unterschiedlich großen Partikeln strömt. Die kleineren Partikel werden durch den Luft- oder Flüssigkeitsstrom mitgerissen und transportiert, während die größeren Partikel im Bett zurückbleiben.

Segregation durch Perkolation kann auftreten, wenn es in einer Pulvermischung große Unterschiede zwischen feinen Partikeln und gröberen Bestandteilen gibt. Wenn eine solche Pulvermischung Vibrationen ausgesetzt wird, bewegen sich die kleineren Partikel aufgrund der Kombination aus Vibration und Schwerkraft nach unten. Im unteren Bereich der Pulvermischung nehmen sie eine Position zwischen den gröberen Partikeln ein. Im oberen Bereich der Pulvermischung verbleiben fast ausschließlich die groben Bestandteile.

Aus diesen drei grundlegenden Segregationsmechanismen lassen sich verschiedene Beispiele ableiten:

  • Segregation beim pneumatischen Transport
  • Segregation beim Kühlen oder Trocknen von Pulvermischungen
  • Segregation beim Einfüllen von Pulvern

Wird eine Pulvermischung pneumatisch transportiert, erhalten die Partikel zu Beginn eine Geschwindigkeit. Aufgrund der unterschiedlichen Widerstände, die die Partikel in der Luft erfahren, sowie Unterschiede in Dichte, Form und Größe, nehmen die verschiedenen Partikel jeweils eine unterschiedliche Flugbahn ein. Dadurch kann Segregation während des pneumatischen Transports entstehen. In diesem Fall ist die Segregation hauptsächlich auf Elutriation und das Kugelbahn-Prinzip zurückzuführen.

Das Kühlen oder Trocknen einer Pulvermischung kann durch die Speicherung in einer Schicht erfolgen, wobei von unten kalte oder warme Luft zugeführt wird. Die kleineren Partikel können dabei durch die Luftströmung aufgenommen und an die Oberfläche der Schicht transportiert werden. Die größeren Pulverpartikel werden hingegen weniger stark von der Luft erfasst und bleiben im unteren Bereich des Betts zurück. Diese Segregation basiert auf dem Prinzip der Elutriation.

Wird eine Pulvermischung von oben in ein Silo oder einen Bunker eingefüllt, bildet sich ein Pulverberg. Wird ein Klopfer am Silo angebracht, um das Pulver besser auszutragen, bewegt sich durch das Prinzip der Perkolation das feinere Pulver nach unten. Die größeren Partikel bleiben hingegen an der Oberfläche des Pulverberges zurück.

Juul Jenneskens

Name: Juul Jenneskens
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