Über den Kunden
DuPont de Nemours Inc., ein weltweit führender Anbieter von Spezialchemikalien und hochentwickelten Werkstoffen, betreibt in den USA mehrere Produktionsstätten, die Produkte auf Polymerbasis unter Verwendung von Pigmenten und anderen feinen Pulvern verarbeiten. Diese Prozesse erfordern eine präzise Materialhandhabung, eine leistungsstarke Dispersion und eine strenge Kontrolle der Produktqualität und -konsistenz. In der Pigmentindustrie ist DuPont bekannt für seine technische Innovation und sein Prozess-Know-how, das die Entwicklung von fortschrittlichen Beschichtungen, Farbstoffen und Polymer-Verbundwerkstoffen ermöglicht, die in der Automobilbranche, in der Industrie und bei Verbraucheranwendungen eingesetzt werden.
Herausforderung
Eine große Herausforderung am Standort von DuPont USA war die Bewältigung der erheblichen Mengen an feinem Pigmentstaub, die bei der Beschickung, der Extrusion und dem Materialtransport entstehen, ohne dass es zu übermäßigen Produktverlusten oder Betriebsrisiken kommt. Zu den wichtigsten Anliegen gehörten die Sicherheit der Umwelt, der Bediener und der Geräte sowie die Minimierung wirtschaftlicher Verluste, indem verhindert wurde, dass wertvolle Pigmentpartikel übermäßig abgesaugt wurden und im Filtersystem verloren gingen.
Produktausbeute: Produkt- (Pigment-) Verluste durch unkontrollierte oder übermäßige Extraktion (Überextraktion*) führten zu direkten finanziellen Verlusten (~$300.000/Jahr).
Explosionssicherheit: Produktverluste (Pigment) durch unkontrollierten oder übermäßigen Abbau führten zu direkten finanziellen Verlusten (~$300.000/Jahr).
Unausgewogenes System: Eine unausgewogene Extraktion führte zu instabilen Prozessen, Ertragseinbußen, erhöhten Ausfallzeiten und Wartungsarbeiten.
Innere Emissionen: Übermäßige Staubemissionen beeinträchtigten die Luftqualität und erhöhten den Verschmutzungs- und Reinigungsaufwand.
Was ist Überextraktion?
Unter Überextraktion versteht man die unbeabsichtigte Entfernung von wertvollen Pigmentpartikeln oder feinen Pulvern aus einer Produktionsumgebung aufgrund eines übermäßigen Luftstroms oder Sogs innerhalb des Absaugsystems. Bei der Herstellung und Verarbeitung von Pigmenten tritt dies auf, wenn Luftströme mit hoher Geschwindigkeit aus Abzugshauben, Kanälen oder Filteranlagen das Produkt vom beabsichtigten Prozessfluss wegziehen, was zu messbaren Produktverlusten, geringerer Ausbeute und höheren Betriebskosten führt. Übermäßige Absaugung wird oft durch eine schlecht ausbalancierte Belüftung oder zu aggressive Staubkontrollmaßnahmen verursacht und kann sowohl die Effizienz als auch die Produktqualität beeinträchtigen.
Annäherung
Wenn man sich für ein Standard-Staubabsaugsystem entscheidet, riskieren die Hersteller die Sicherung der Leistung. Da das bestehende Absaugsystem bei DuPont nicht ausreichend leistungsfähig war, drohten instabile Prozesse, unvorhergesehene Ausfallzeiten, höhere Wartungskosten und Ertragseinbußen. Deshalb wandte man sich an JOA, das mit seinem bewährten Ansatz kam:
Voringenieursstudium:
Zu Beginn führte JOA in enger Zusammenarbeit mit dem Team von DuPont USA eine Pre-Engineering-Studie durch, um die Probleme mit den Staubemissionen vor Ort zu bewerten. Ziel war es, die Grundursachen zu identifizieren, Technologieoptionen zu bewerten und den Projektumfang zu definieren.
- Modellierung jedes potenziellen Extraktionspunktes über zwei Produktionslinien hinweg mit dem JOA-eigenen Air Technical Model, das speziell auf das Verhalten von Feinpigmenten abgestimmt ist.
- Simulieren Sie die Anforderungen an den Luftstrom, um eine effektive Staubabscheidung zu gewährleisten, ohne eine Überabsaugung auszulösen.
- Umfangreiche Validierungen und Iterationen während der Vorentwicklung (oder FEED) und der Inbetriebnahme stellten sicher, dass nur ein Minimum an wertvollen Pigmentressourcen durch das Entstaubungssystem verloren ging, was sich direkt in kalkulierbaren jährlichen Ressourceneinsparungen niederschlug.
Design & Technik:
Das System wurde anhand von Daten aus der Vorentwicklung entwickelt, um ein Gleichgewicht zwischen Staubkontrolle, Prozesskontinuität und Produktbeibehaltung zu schaffen, wobei ein präziser Luftstrom und ein Sicherheitsdesign die Leistung ohne Einbußen bei der Ausbeute gewährleisten.
- In der Pre-Engineering-Studie wurden Punkte mit hohem Risiko für eine Überextraktion identifiziert. Diese wurden durch eine Kombination von Maßnahmen angegangen:
- Geometrie der Haube
- Abstimmung der Drosselklappe
- Intelligente Steuerung der Automatisierung
- Kombinierte Absaugstellen, z.B. in der Nähe von Rüttelschalen und Trichtern, um zu verhindern, dass konzentrierte Luftströme Pigmente aus dem Prozess herausziehen.
- Maßgeschneiderte Deflektor-Absaughauben bei kritischen Prozessschritten wie Dosierung und Wiegen. Diese Abzugshauben sorgten für eine hocheffiziente Staubeindämmung bei minimaler Mitnahme von Pigmenten.
- ATEX-Sicherheit durch optionale Explosionsschutzfunktionen:
- Leitfähiges, geerdetes Kanalsystem aus verzinktem oder unbeschichtetem Stahl
- Antistatische Filterpatronen
- ATEX-zertifizierte Zellenradschleusen, Berstscheiben und flammenlose Entlüftung
- Erdung und antistatische Maßnahmen
Systemrealisierung:
In der Realisierungsphase installierte und balancierte JOA ein maßgeschneidertes Extraktionssystem, das genau auf die Prozessanforderungen von DuPont unter verschiedenen Betriebsbedingungen abgestimmt war.
- Ein ausgewogenes System mit 21 Absaugpunkten und 20 Drosseln, um den Luftstrom an jeder Stelle präzise einzustellen und einen Druckausgleich innerhalb von 1 Pascal zu erreichen.
- Automatisierte Ventile und VFD-Steuerungen (Variable Frequency Drive) an den Hauptabzugsventilatoren ermöglichten eine Echtzeitanpassung des Luftstroms auf der Grundlage des Linienbetriebs (z.B. Umschalten zwischen Ein- und Zweileitungsbetrieb).
- Dies gewährleistet einen energieeffizienten Betrieb und vermeidet gleichzeitig eine übermäßige Absaugung, die zu einer Überextraktion der Pigmente führen könnte.
- Integrierte Luftablassventile und Deflektorablassventile zur Feinabstimmung des lokalen Luftstroms und zur Verringerung des Übersaugrisikos.
*Bestätigt: Die Fördergeschwindigkeiten blieben innerhalb des sicheren V₀Crit™-Bereichs, so dass luftgetragener Staub abgesaugt werden konnte, ohne dass es zu einer unbeabsichtigten Pigmententfernung kam.
Ergebnis
Sicherheit, Effizienz und erhebliche Produkteinsparungen.
- Das neue zentrale Entstaubungssystem ermöglichte es DuPont, die strengen Grenzwerte für die Staubbelastung am Arbeitsplatz (<5 mg/m³, 8 h TWA) bei drastisch reduzierter manueller Reinigung einzuhalten.
- Die Überabsaugung von feinem Pigmentpulver, die zuvor bis zu $300.000/Jahr gekostet hatte, wurde eliminiert. Das technische Gleichgewicht der Luft, die Ablenkhauben und die kontrollierbare Absaugrate sorgten dafür, dass Staub- und Pigmentemissionen nur dort erfasst wurden, wo es notwendig war, und nicht dort, wo sie wertvolles Produkt abtransportierten.
- Die Produktivität der Bediener und die Betriebszeit der Geräte wurden durch eine verbesserte Arbeitsumgebung und weniger häufige Stillstände und Verschmutzungen erhöht.
- Das System ist zukunftssicher für die Einhaltung der Explosionssicherheit, Prozessänderungen und betriebliche Flexibilität, mit einfacher Anpassung der Absaugraten und Ventilatorgeschwindigkeit nach Bedarf.
- Der Systemausgleich und die Automatisierung der VFD-Ventilatoren reduzierten den Energieverbrauch und die Geräuschentwicklung auf ein Minimum, das für die Prozesssicherheit und den Umgang mit Staub erforderlich ist.
- Die Anforderungen an die Haushaltung und die routinemäßige Reinigung von Staubrückständen sanken erheblich, was die Betriebskosten und die Sicherheit weiter verbesserte.
Die wichtigsten technischen Highlights
- 21 Entnahmepunkte, 20 Begrenzer für 1 Pa Gleichgewicht.
- Präzise lufttechnische Modellierung für alle Staubquellen (insbesondere Pigment).
- Deflektorhauben und Anzapfungen, die für jede Anwendung individuell gestaltet werden.
- Das Dual-Header-System ermöglicht den Betrieb jeder Linie mit maßgeschneiderten Fördermengen und unabhängigen Abschaltungen.
- Automatisierte Ventile und VFD-Lüfter ermöglichen eine dynamische, optimierte Steuerung.
- Explosionssicherheit optimierte Auswahl von Materialien und Geräten.
- Eingebaute Flexibilität für weitere Prozesskapazitäten oder Sicherheits-Upgrades.
- Unterstützt durch validierte Air Technical Modeling Modelle
Fazit
Durch einen integrierten Ansatz und die Kombination von Luftströmungsmodellen zur Validierung des Entwurfs konnte JOA eine optimierte Lösung anbieten: Hauben- und Drosselkonstruktion, Ventilatorautomatisierung und rigorose Explosionssicherheitstechnik. Damit wurden die Herausforderungen von DuPont bei der Absaugung von Pigmentstaub in ihrem Werk in den USA gelöst.
Die gut durchdachte Lösung glich die Luftgeschwindigkeiten präzise aus, schützte die Bediener, kontrollierte die Risiken durch brennbaren Staub und ermöglichte jährliche Kosteneinsparungen von bis zu 300.000 $, indem der Verlust von zu viel abgesaugtem wertvollem Pigment verhindert wurde. Die Flexibilität des Systems stellt sicher, dass DuPont sich schnell an Produktionsänderungen oder künftige gesetzliche Anforderungen anpassen kann. Das Projekt steht als Maßstab für eine leistungsstarke, auf Sicherheit ausgerichtete industrielle Entstaubung in der chemischen Industrie und insbesondere im Pigment- und Polymersektor.
