Mobile Inline-Dispergiermaschinen
- Bild 1: Mobile Ystral Inline-Dispergiermaschine mit angebauter explosionsgeschützter Steuerung von R. STAHL
für den Ex-Bereich
von Clemens Schlegel und Tobias Popp
Mobile Inline-Dispergiermaschinen für den Ex-Bereich ( 221 kB)
Mischer, Dispergierer und kombinierte Misch-/Dispergiersysteme in allen Größen vom Laborgerät bis zur Industriemaschine, auch in kundenspezifischen Sonderlösungen, sind das Geschäftsfeld der Firma Ystral GmbH in Ballrechten-Dottingen. Verfahrenstechnische Kompetenz in den Bereichen Mischen, Homogenisieren und Dispergieren von Flüssigkeiten und Suspensionen sind seit mehr als 30 Jahren Grundlage erfolgreichen und innovativen Maschinenbaus von Ystral. Ergänzt wird dieses breite Spektrum durch selbst entwickelte und patentierte Systeme zur staubfreien Verarbeitung von Pulverstoffen in Flüssigkeiten. Anwendung finden diese Verfahren in weiten Bereichen der chemischen, pharmazeutischen, kosmetischen und Nahrungsmittel produzierenden Industrie. Neben komplexen Anlagen mit aufwendigen Steuerungen, die über eine Visualisierung der Prozesse sowie eine Rezepturverwaltung und Protokollierung verfügen können, werden vom Markt auch regelmäßig kleinere, mobile Anlagen gewünscht, die auch in explosionsgeschützter Ausführung lieferbar sind. Die maximale Mobilität bei der Automatisierung ist für viele Anlagenbetreiber ein interessantes Konzept, da örtlich vielseitig einsetzbare Geräte und Apparate auf diese Weise an unterschiedlichen Standorten für diverse Aufgaben zum Einsatz kommen können. Solche, meist sehr kostenintensive Betriebsmittel erfahren hierdurch eine wesentlich höhere Auslastung als vergleichbare stationäre Einrichtungen. Dies gilt gerade auch für Anwendungsfälle in explosionsgefährdeten Bereichen.
|
|
Bild 2: Produktstrom durch eine Inline-Dispergiermaschine | Bild 3: Typenschild der Anlage mit der Kennung II2G c IIB T3 X |
Aufgabenstellung
Die Anforderung eines der führenden Pharmaunternehmen, eine mobile Inline-Dispergiermaschine (Bild 1) auf mehreren Stockwerken eines Gebäudes und jeweils unterschiedlichen Aufstellungsorten mit explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 1 verwenden zu können, konnte von Ystral mit Unterstützung der Firma R. STAHL erfolgreich erfüllt werden. Dabei wurde auch die Anbindung an das vorhandene Prozessleitsystem vorgesehen. Die verfahrenstechnische Aufgabenstellung dieses Projektes ›Dispergieren von Kristallen in Lösungsmittel‹, wurde mit einer Ystral Inline-Dispergiermaschine gelöst. Dispergieren bedeutet, Fest- oder Flüssigstoffe fein verteilt in eine vorgelegte Flüssigkeit einzuarbeiten. Ergebnisse davon können beispielsweise Emulsionen (z.B. Öl in Wasserphase) oder Dispersionen (z.B. feine Feststoffpartikel in Lösungsmittel) sein, wobei den Ansprüchen der Anlagenbetreiber in Bezug auf Feinheit und gleichmäßige Verteilung Rechnung zu tragen ist. Im vorliegenden Fall muss die Größe der Kristalle eines Feststoffes in einem Lösungsmittel reduziert werden, wobei das Schmelzen der Kristalle durch Kühlung verhindert wird. Die dazu notwendige mechanische Arbeit wird mit einem Dispergierwerkzeug nach dem Rotor/Stator-Prinzip aufgebracht. Sowohl der am Maschinengehäuse fest stehende Stator als auch der mit der Maschinenwelle rotierende Rotor verfügen über Schlitze, durch die der Produktstrom hindurch geführt wird (Bild 2). Die schnelle Bewegung des Rotors sorgt in Verbindung mit den scharfkantigen Schlitzen der Dispergierwerkzeuge für die zur Dispergierung notwendigen Schub- und Prallkräfte. Ystral Inline-Dispergiermaschinen können in Abhängigkeit der Aufgabenstellung mehrere Dispergierstufen mit unterschiedlichen Schlitzbreiten enthalten und sind neben dem Dispergieren auch zum Homogenisieren, Emulgieren und Nass mahlen geeignet. Um für die vorliegende Anwendung eine ausreichende Drehzahl bzw. Schergeschwindigkeit der Dispergierwerkzeuge zu erreichen, wird die Dispergiermaschine mit variabler Frequenz bis 100 Hz betrieben. Durch Betrieb des Motors an der ›87 Hz-Kennlinie‹ wird der Leistungseinbruch durch Feldschwächung bei hoher Frequenz vermieden. Eine Coriolis-Massedurchflussmessung erfasst kontinuierlich den Produktstrom durch die Dispergiermaschine. Die ermittelte Durchflussmenge wird an der Anlage angezeigt und kann neben weiteren Daten via Ethernet an das Leitsystem übermittelt werden. Neben den bereits genannten Anforderungen wurden, bedingt durch die Eigenschaften der zu verarbeitenden Produkte, sämtliche davon berührten Anlagenteile aus Sonderwerkstoff ›Hastelloy C22‹ gefertigt. Elastomere aus ›FFKM‹ garantieren dabei bestmögliche chemische Beständigkeit aller Dichtungen und O-Ringe.
- Bild 4: Ex p Steuerschrank, geöffnet, mit Einbauten
Explosionsschutz nach RL 94/9/EG
Die Anforderungen des Betreibers an den Explosionsschutz verlangen die Auslegung der gesamten Anlage für den Betrieb im explosionsgefährdeten Bereich der Zone 1, mit explosionsfähiger Atmosphäre der Explosionsgruppe IIB und Temperaturklasse T3. Die nichtelektrischen Anlagenteile erfüllen die Anforderungen der Gerätekategorie 2 (Zone 1) in der Zündschutzart Konstruktive Sicherheit ›c‹. Die Steuerung der Firma R. STAHL vereinigt mehrere Schutzkonzepte, um eine optimale Lösung für den Explosionsschutz zu erreichen. Die Leistungsgeräte, wie Frequenzumrichter, Motorschutzeinrichtung, Schütze, Sicherungen und Relais wie auch die SPS zur Maschinensteuerung und die Trennstufen der eigensicheren Stromkreise sind in einem Schaltschrank in der Zündschutzart Überdruckkapselung ›p‹ untergebracht. Das Freigabeschütz, ebenfalls im überdruckgekapselten Schrank, ist zusätzlich druckfest gekapselt, da es Spannung führt, auch wenn die Überdruckkapselung nicht in Funktion ist. In die Schranktür eingebaut sind das eigensichere Bedien- und Beobachtungsterminal und der in Ex de-Technik ausgeführte Hauptschalter (Bild 4). Das Schrankvolumen und die Auslegung des Ex p-Systems richten sich dabei grundsätzlich nach den in der Schaltanlage installierten Verbrauchern, sowie nach den Umgebungsbedingungen am Aufstellort. Durch die in den zu berücksichtigenden Normen geforderten Risikobetrachtungen und Zündgefahrenanalysen werden mögliche kritische Wechselwirkungen durch Kombination verschiedener Anlagenteile analysiert und sicher erkannt. Hierbei hilft Ystral die Erfahrung jahrelanger Tätigkeit in der Projektierung, Auslegung und Herstellung von Anlagen für explosionsgefährdete Bereiche.
|
Bild 5: Darstellung der Anbindung der mobilen Inline-Dispergiermaschine an das Prozessleitsystem |
›Stand alone‹ Betrieb oder wahlweise Betrieb über das Prozessleitsystem
Das Konzept der Anlagensteuerung basiert auf der Anforderung, sowohl einen lokalen, autarken Betrieb an einer beliebigen Stelle, als auch den Betrieb über das PLS an bis zu 64 verschiedenen Aufstellorten zu ermöglichen. Die auf dem Anlagengrundrahmen montierte und betriebsfertig installierte Anlagensteuerung verfügt lediglich über zwei Anschlusskabel. Neben der Stromversorgung (Netzanschluss) wurde eine zweite, eigensichere, Steckverbindung mit einer mehrpoligen Binärkodierung zur Standorterkennung sowie mit einer eigen sicheren Ethernetverbindung realisiert (Bild 5). Zur Standorterkennung wird die mehrpolige Steckverbindung am jeweiligen Aufstellort durch Kontaktbrücken kodiert. Die Betriebsdaten des Antriebes der Ystral Inline-Dispergiermaschine werden via Profibus vom 15kW-Frequenzumrichter auf eine speicherprogrammierbare Steuerung Siemens S7-300 übertragen und dort verarbeitet. Die gesammelten Messdaten sowie weitere Betriebsdaten der Anlage werden via Ethernet an das über-geordnete Prozessleitsystem weitergeleitet und können so im Leitsystem überwacht und dokumentiert werden. Für den lokalen autarken Betrieb der Anlage sowie zur An zeige der Betriebsdaten wurde das bewährte Bedien- und Beobachtungsterminal ET125 von R. STAHL vorgesehen. Neben der Vorort-Bedienung ermöglicht die Ethernetverbindung die Steuerung der Anlage an jedem der vorgesehenen Standorte über das Leitsystem. Der Anlagenbediener kann hierbei die Prozessdaten auf dem Textdisplay des lokalen Operator-Terminals verfolgen. Mit der Umsetzung der mobilen Inline-Dispergiermaschine ist es der Firma Ystral gelungen, die unterschiedlichen Anforderungen des Explosionsschutzes, der verfahrenstechnischen Aufgabenstellung sowie der technischen und chemischen Anforderungen des Betreibers bei gleichzeitig maximaler Mobilität der Anlage erfolgreich zu erfüllen.
Mobile Inline-Dispergiermaschinen für den Ex-Bereich ( 221 kB)