5.10.10 Hystereseerscheinungen des Drehmoments

Bei manchen Einsatzfällen beobachtet man ein sehr starkes Ansteigen des Moments bei geringfügiger Durchsatzsteigerung, das ein mehrfaches des normalen Gradienten betragen kann. Nach einer Laufzeit in der neuen Laststellung, die zwischen Minuten und Stunden betragen kann, sinkt das hohe Moment wieder auf einen Wert ab, welcher der normalen Steigung entspricht.

Abb. 1:                Schematischer Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit des Durchsatzes [Stahl]

Dieser Effekt tritt nicht nur beim Überschreiten der Normallast zum Überlastfall auf, sondern kann auch eintreten, wenn der Dekanter über längere Zeit im Teillastbereich lief und wieder auf Normallast gebracht werden soll. Bei Lastsenkungen verläuft das Moment auf der normalen Moment-Feststoffmassendurchsatz-Kennlinie

Abb. 2:                Schematischer Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit des Zeit [Stahl]

Die Ursache für diese Erscheinungen liegt häufig in der Änderung des Schneckenreibwerts. Radial innerhalb des ständig durch den Kuchen beriebenen Bereichs kann sich auf dem Schneckenblatt eine sehr dünne Schicht von Feststoff ablagern. Diese kann verursacht werden durch:

-       Resublimationsvorgänge aus einem der Zentrifuge nachgeschalteten Schmelzer für den Feststoff (Beispiel: Einsatz DMT).

-       Teilweise Verdampfung von Suspensionströpfchen aufgrund des beim Einlauf entstehenden Druckabfalls. Im Rotor kann gegenüber dem Prozessdruck durch die Ventilatorwirkung des Austragkopfes bzw. durch die Injektorwirkung beim Austrag und/oder durch eine Räumschale ein Unterdruck entstehen.

-       Spritzer aus der Einlaufzone.

-       Einspeisen gesättigter heißer Lösungen in eine nicht vorgewärmte Zentrifuge usw.

In Abb. 3 sind Feststoffablagerungen auf der Schnecke zu erkennen. Wird die Kuchendicke erhöht, so läuft der obere Teil am produktrauen Schneckenblatt an, das erst nach einer bestimmten Zeit dadurch wieder blank wird und der Reibwert an der Schnecke absinkt.

 

Abb. 3 Anbackungen von Feststoff durch Ausgasen der heißen Flüssigkeit und Ausfällen von gelöstem Feststoff [Stahl]

Die Durchsatzerhöhungen müssen also in kleinen Stufen erfolgen. Kritisch ist dieses Verhalten bei hohen Durchsätzen: schon geringe Konzentrationsschwankungen des Zulaufs könnenden Dekanter zum Überlastabschalten bringen. Es empfiehlt sich, in solchen Fällen eine drehmomentgesteuerte Durchsatz­regelung zu verwenden.

Ähnliche Erscheinungen beobachtet man beim erstmaligen Anfahren einer neuen Zentrifuge. Selbst bei anfänglich schon polierten Schneckenblättern werden die Rauhigkeiten erst mit der Zeit über Wochen und Monate hinweg durch das Produkt geglättet und der Reibwert sinkt. Die Durchsatz­leistung bis zur Abschaltgrenze kann nach dem Einlaufen um ca. 15 % höher liegen.

In einzelnen Einsatzfällen, bei denen der Werkstoff des Rotors nicht absolut korrosionsbeständig ist, beobachtet man einen analogen Vorgang: die ständig durch das Produkt beriebene Schneckenzone bleibt blank, wogegen die nicht berührten Teile einen - raueren - Korrosionsbelag ansetzen. Hier empfiehlt es sich, zumindest die Vorderseite des Schneckenblattes durch Plattieren mit korrosions­festem Werkstoff auszuführen.

In extremen Fällen kann es durch die Erhöhung des Schneckenreibwertes auch zu einem Transport­versagen und somit zum Abschalten der Maschine kommen.

5.10.11 Produktschädigung durch Plastizierung

Im Bestreben, die Restfeuchte weitestgehend abzusenken, wird man in Kenntnis des Kinetik­parameters versuchen, nicht nur bei hohen C-Werten zu arbeiten, sondern die im Dekanter generell sehr kurzen Verweilzeiten von nur wenigen Sekunden soweit wie es das Drehmoment zulässt zu erhöhen. Für diesen Zweck, bei schwankendem Feststoffdurchsatz die jeweils längste Verweilzeit einzuregeln, sind Differenz­drehzahl­regelungen entwickelt worden (siehe Band III „Überwachen, Steuern und Regeln von Zentrifugen“). Das Drehmoment wird dabei jeweils an ein auf die Dauer tolerierbares Maximum herangefahren. Mit der geregelten Absenkung der Differenzdrehzahl steigt auch die Kuchenhöhe an.

Bei gleichzeitig hohem C-Wert und großer Kuchenhöhe nehmen die Pressungen im Kuchen in radialer Richtung zu, damit synchron auch die axialen Pressungen des Kuchens auf das Schneckenblatt. Die Transportleistung wird im Dekanter vollständig dissipiert. Die kritischere der beiden Reibflächen ist die Schneckenflanke besonders nahe der Blattspitze. Den beschriebenen Pressungen überlagern sich lokal, wenn auch geringe Zusatzspannungen (Brückenspannungen) am Spalt. Die in der Reibfläche auf der Schneckenvorderseite entstehende Wärme kann über folgende Wege abfließen:

-       sie wird in gut leitendem Metall in Richtung Schneckengrundkörper hin abgeleitet

-       sie geht über das Produkt selbst in den Kuchen hinein.

Da bei möglichst trockenem Kuchen sowohl die Wärmekapazität als auch die Wärmeleitung mit sinkender Oberflächen(film)feuchte abnimmt, erwärmt sich das Produkt in einer sehr dünnen Schicht direkt am Schneckenblatt immer stärker.

Auch von der Produktionsseite geht die Entwicklung in die ungünstige Richtung. Immer mehr werden Polymerisations- oder Kristallisationsprodukte heiß gefahren, um die Vorteile niedriger Oberflächen­spannung und kleiner Viskosität zu nutzen. Wird die Differenz zum Schmelzpunkt des Feststoffs zu gering bei gleichzeitig erhöhter Transport­leistung, so kommt es sukzessive zu Anschmelzungen. Sie beginnen vom Austrags­durchmesser her, wo der Feststoff bereits über den längsten Kontakt mit der Schnecke vorgeheizt wurde (Gries) und können beim stärker werden zu so starken Verschmelzungen führen, dass man von „Sauerkraut“ spricht: faserigen Streifen, die bis zu 200 mm lang und durch das einseitige Schmelzen glatt am Schneckenblatt sowie auf der anderen Seite noch kornrau sind.

Solange es sich nur um Gries-artige Partikel handelt, werden diese in der Absiebung nach dem Trockner abgeschieden und als Produkt geringerer Qualität verkauft. Nimmt der Ausschuss größere Dimensionen an, so entsteht nicht nur ein geringer wirtschaftlicher Verlust, sondern die Anlagen­zuverlässigkeit wird ebenfalls gestört, da die Siebe verstopfen können.

Dass die Plastizierung tatsächlich reproduzierbar der Maschineneinstellung folgt, zeigt beispielsweise das Diagramm in Abb. 5 für ein PVC-Produkt.

Abb. 5 Siebrückstand aufgrund von Griesbildung bei der Plastifizierung in einem Dekanter mit 500 mm Trommeldurchmesser einer PVC-Anlage bei verschiedenen Niveaudurchmessern [Stahl]

Es scheint ein Sockel von ca. 50 g·t-1 an Überkorn zu existieren, das entweder in der Polymerisation entsteht oder vor der Zentrifuge durch andere Apparate, wie z.B. Pumpen, erzeugt wird und damit nicht der Zentrifuge angelastet werden kann. Im Bereich hoher Feststoffdurchsätze und gleichzeitig hoher C-Werte steigt der Griesanteil mit der Trockenhöhe des Konus progressiv an.

Zur Vermeidung der Plastizierungen lassen sich unterschiedliche Maßnahmen ergreifen::

     Prozesstechnisch

-       Erniedrigen der Suspensionstemperatur

-       Zumischen von kalter Suspensionsflüssigkeit oder rückgeführtem abgekühlten Zentrat, um die Suspensionstemperatur ebenfalls abzusenken.

-       Waschen des Feststoffs mit geringer Menge kalter Suspensionsflüssigkeit. Obwohl der Feststoff zur Reinigung (Abspülen von Tensiden) bei diesem Produkt nicht gewaschen werden müsste, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, auf die vorhandenen Waschröhrchen einen geringen Wasser­durchsatz aufzugeben. Sie kühlen den Feststoff vor, so dass die Temperaturspanne bis zum Schmelz­punkt größer wird. Dadurch kann jedoch in einigen Fällen die Restfeuchte steigen (siehe Kap. 5.9).

1.    Betriebstechnisch
Wenn prozesstechnische oder die folgenden konstruktiven Maßnahmen nicht oder nicht kurzfristig realisierbar sind, so kann durch Einstellen von Niveau, Haupt- und Differenzdrehzahl die Transport­leistung gesenkt und somit weniger Wärme erzeugt werden. Dadurch kann die Restfeuchte des ausgetragenen Feststoffes jedoch geringfügig steigen.

2.    Konstruktiv

-       Kühlung der Schneckenflanke         
Einen Kühleffekt kann man erreichen, wenn dieselbe Konstruktion des „Waschigels“ (siehe Kap. 5.9) verwendet wird, um auf die Vorderseite des Schneckenblatts einen kühlenden Flüssigkeits­film aufzubringen (siehe Abb. 7). Da dieser auf der Vorderseite des Schnecken­blattes in einem dünnen Film abläuft, ohne in den Kuchen wesentlich einzudringen, wird er die Restfeuchte des Kuchens nicht erhöhten.

Abb. 7:                Konstruktiver Vorschlag zur Kühlung der Vorderseite des Schneckenblattes [Stahl]

-       Polieren der Schnecke    
Dies sollte schon vor der Inbetriebnahme des Dekanters geschehen sein. Spätestens, wenn Plastizierungsprobleme auftreten, sollte die Schneckenpolitur geprüft und auf eine Rautiefe unter 1 µm verbessert werden.

-       Verkürzen des Konus     
Bei grobkörnigen Kunststoffpartikeln läuft die Kinetik der Filmdrainage sehr schnell ab. Ein längerer Konus ist folglich unnötig bzw. er bringt nur die beschriebenen Nachteile der Produkt­erwärmung. In solchen Fällen kann man sich so behelfen, dass die Länge bzw. die Höhe des Konus veränderlich gehalten wird. Der Konus kann dann an das Produkt angepasst werden. Zur Vermeidung von Drehschwingungen kann durch Verlängern des Konus auch bei hohen Differenz­drehzahlen eine ausreichende Verweilzeit erreicht werden. Dabei ist die notwendige Teichtiefe im zylindrischen Teil für die Klärung zu berücksichtigen. Insbesondere bei Dekanterschnecken mit kleinem Schnecken­grund­körper, der die Suspension nur wenig vorbeschleunigt, sind auch größere Vorstau­höhen zu beachten.        
Bei schlammartigen Produkten kann durch Variation der Konushöhe der Schlammrückstau und somit auch die Pressung beeinflusst werden.        
Da die notwendige Vereinheitlichung der Konstruktion es nicht zulässt, den Konus nach Maß für jedes Produkt unabhängig zu wählen, bietet sich als verfahrens­technisch konstruktiver Kompromiss eine Lösung an, die in Abb. 9 schematisch dargestellt ist. Der gesamte Konus wird in zwei oder drei Teile zerlegt. Der unverschiebliche Grundbaustein erhält die Höhe, die bei allen gedachten Anwendungsfällen als Minimum angesehen wird. Ein oder zwei weitere im Querschnitt trapez­förmige Teile sind axial an das Grundelement angeschraubt, um den höchsten Konus zu formen. Im Bedarfsfall werden einzelne Konusabschnittsscheiben am linken Anschlag befestigt. Wichtig ist dabei, dass die axiale Länge der Feststoffaustragsfenster für alle Positionen bemessen ist. Der Nachteil der Konstruktion liegt neben den höheren Herstellkosten in einer größeren Masse und damit größerem Trägheits­moment des Rotors. Ebenso werden durch die im Durchmesser größer angeordneten Fenster eine höhere Ventilationsleistung und höherer Geräuschpegel erzeugt.

Abb. 9:          Konstruktiver Vorschlag für eine vari