Rieselfähige und kohäsive Pulver unterscheiden sich grundlegend in ihrem Fließverhalten, weil ihre Partikel unterschiedlich stark miteinander wechselwirken. Rieselfähige Pulver fließen unter Schwerkraft frei und gleichmäßig, während kohäsive Pulver dazu neigen, zu verklumpen, Brücken zu bilden und in Behältern oder Leitungen stecken zu bleiben. Der entscheidende Faktor ist die Partikelgröße: Je feiner ein Pulver, desto größer die relative Oberfläche und desto stärker die interpartikulären Kräfte gegenüber der Schwerkraft. Die folgenden Abschnitte erklären die physikalischen Ursachen, zeigen Messmethoden und leiten daraus ab, welche Anforderungen sich für die Staubabsaugung ergeben.
Wie entstehen die Fließeigenschaften von Pulvern?
Die Fließeigenschaften eines Pulvers entstehen aus dem Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und interpartikulären Kräften. Schwerkraft zieht Partikel nach unten und fördert das Fließen. Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Anziehung und Kapillarkräfte wirken zwischen den Partikeln und hemmen das Fließen. Welche Kraft überwiegt, hängt vor allem von Partikelgröße, Dichte, Feuchte und Oberflächenbeschaffenheit ab.
Bei groben Partikeln ab etwa 100 Mikrometern dominiert die Schwerkraft. Das Pulver fließt frei und gilt als rieselfähig. Bei feineren Partikeln unterhalb von 50 Mikrometern wächst die spezifische Oberfläche stark an. Die interpartikulären Kräfte gewinnen die Oberhand. Das Pulver wird kohäsiv. Diese Grenze ist keine scharfe Schwelle, sondern ein Übergangsbereich, der von Feuchte und Partikelform beeinflusst wird.
Auch die Schüttdichte spielt eine Rolle. Ein lockeres, luftreiches Schüttgut verhält sich anders als ein verdichtetes. Mechanische Einwirkung wie Vibration oder Druck kann ein zunächst fließfähiges Pulver in einen kompaktierten, schlecht fließenden Zustand überführen. Für Betreiber in der Produktion bedeutet das: Das Fließverhalten eines Pulvers ist kein fester Materialwert, sondern ein prozessabhängiger Zustand.
Was macht ein Pulver kohäsiv statt rieselfähig?
Ein Pulver wird kohäsiv, wenn die Haftkräfte zwischen den Partikeln die Schwerkraft übersteigen. Die wichtigsten Ursachen sind kleine Partikelgröße, hohe Feuchte, elektrostatische Aufladung und unregelmäßige Partikelform. Bereits geringe Mengen Feuchtigkeit können Kapillarbrücken zwischen Partikeln bilden und ein zuvor rieselfähiges Pulver in ein kohäsives verwandeln.
Partikelgröße und Oberfläche
Unterhalb von etwa 50 Mikrometern steigt das Verhältnis von Oberfläche zu Masse stark an. Die Van-der-Waals-Kräfte, die zwischen allen festen Oberflächen wirken, summieren sich über viele Kontaktpunkte. Das Ergebnis ist ein Pulver, das Klumpen bildet und nicht mehr frei fließt. Typische Beispiele sind Toner, Pigmente, pharmazeutische Wirkstoffe und feine Metallpulver.
Feuchte und elektrostatische Aufladung
Feuchte verstärkt die Kohäsion durch Kapillarkräfte an den Partikelkontaktstellen. Schon eine relative Luftfeuchtigkeit über 60 Prozent kann bei hygroskopischen Pulvern die Fließfähigkeit deutlich verschlechtern. Elektrostatische Aufladung tritt besonders bei trockenen, nicht leitfähigen Pulvern auf und führt dazu, dass Partikel aneinander und an Behälterwänden haften. Beide Effekte verstärken sich gegenseitig und machen das Pulver schwerer handhabbar.
Warum verstopfen kohäsive Pulver Absauganlagen häufiger?
Kohäsive Pulver verstopfen Absauganlagen häufiger, weil sie dazu neigen, an Rohrleitungen, Filtermedien und Behälterwänden zu haften, statt hindurchzufließen. Sie bilden stabile Brücken an Engstellen und lagern sich als kompakte Schicht auf Filterflächen ab. Diese Ablagerungen erhöhen den Druckverlust, reduzieren den Volumenstrom und können im schlimmsten Fall den Betrieb vollständig unterbrechen.
Typische Problemstellen sind Rohrbögen, Querschnittsverengungen und der Übergang zwischen Saugleitung und Filtergehäuse. Kohäsive Partikel bleiben an diesen Stellen hängen, ziehen weitere Partikel an und bilden Pfropfen. Bei rieselfähigen Pulvern lösen sich solche Anlagerungen unter dem Luftstrom wieder. Bei kohäsiven Pulvern sind sie stabil und wachsen weiter.
Auf der Filteroberfläche bildet kohäsiver Staub eine dichte, schwer abzureinigende Staubkuchenschicht. Standardmäßige Druckluftabreinigung, die bei grobem Staub gut funktioniert, ist bei kohäsiven Pulvern oft weniger wirksam. Die Staubkuchenschicht bleibt teilweise haften und vermindert die Filterleistung dauerhaft. Für Betreiber bedeutet das kürzere Filterstandzeiten und höhere Wartungsintervalle.
Wie misst man das Fließverhalten eines Pulvers?
Das Fließverhalten eines Pulvers wird durch mehrere Kennwerte beschrieben. Der gebräuchlichste ist der Fließfaktor ffc aus der Scherzellenmessung nach Jenike. Er setzt die konsolidierende Spannung ins Verhältnis zur Druckfestigkeit des Pulvers. Ein hoher ffc-Wert steht für gutes Fließen, ein niedriger für kohäsives Verhalten.
Scherzellenmessung und Schüttwinkel
Die Scherzellenmessung nach Jenike ist die normierte Methode zur Bestimmung des Fließverhaltens unter definierten Spannungszuständen. Sie liefert belastbare Daten für die Auslegung von Silos, Fördersystemen und Absauganlagen. Ergänzend wird häufig der Schüttwinkel gemessen: Ein Winkel unter 30 Grad gilt als rieselfähig, über 45 Grad als kohäsiv. Der Schüttwinkel ist einfach zu bestimmen, aber weniger präzise als die Scherzellenmessung.
Hausner-Verhältnis und Carr-Index
Das Hausner-Verhältnis vergleicht die Stampfdichte mit der Schüttdichte eines Pulvers. Werte unter 1,25 gelten als rieselfähig, Werte über 1,4 als kohäsiv. Der Carr-Index leitet sich daraus ab und gibt die prozentuale Verdichtbarkeit an. Beide Methoden sind einfach durchzuführen und liefern erste Orientierungswerte für die Anlagenauslegung. Sie ersetzen jedoch keine vollständige Scherzellenmessung bei sicherheitsrelevanten Anwendungen.
Welche Absaugtechnik eignet sich für kohäsive Pulver?
Für kohäsive Pulver eignen sich Absauganlagen mit großzügig dimensionierten Rohrquerschnitten, erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten und leistungsfähigen Abreinigungssystemen. Filteranlagen mit Druckluftabreinigung müssen für kohäsive Stäube mit höherer Impulsenergie und kürzeren Abreinigungsintervallen ausgelegt werden. Glatte Innenoberflächen in Rohrleitungen und Behältern reduzieren die Anhaftneigung.
Die Wahl der Staubklasse richtet sich nach dem Arbeitsplatzgrenzwert des Pulvers gemäß TRGS 900. Für Pulver mit einem AGW über 1 mg/m³ gilt Staubklasse L nach DIN EN IEC 60335-2-69, ab 0,1 mg/m³ Staubklasse M und unter 0,1 mg/m³ oder bei krebserzeugenden Stäuben Staubklasse H. Diese Geräteklassifizierung ist unabhängig davon, ob das Pulver kohäsiv oder rieselfähig ist.
Bei explosionsfähigen Pulvern ist zusätzlich die Zoneneinteilung nach GefStoffV Anhang I zu beachten. Zone 20 gilt bei ständig vorhandener explosionsfähiger Staubatmosphäre, Zone 21 bei gelegentlichem Auftreten im Normalbetrieb und Zone 22 bei seltenen, kurzzeitigen Ereignissen. Die Absauganlage muss der jeweiligen Zone entsprechen. Staubablagerungen sind bei der Zoneneinteilung ausdrücklich zu berücksichtigen, nicht nur die Staubwolke selbst.
Für Betriebe, die bei einer BG-Prüfung keine ausreichende Absaugtechnik nachweisen können, bestehen erhebliche Risiken: Bußgelder, behördliche Auflagen und im Schadensfall die persönliche Haftung verantwortlicher Führungskräfte.
Wann sollte man Absauganlagen für gemischte Pulvertypen auslegen?
Absauganlagen sollten für gemischte Pulvertypen ausgelegt werden, wenn an einem Arbeitsplatz oder in einer Produktionslinie sowohl rieselfähige als auch kohäsive Pulver anfallen. Die Anlage muss dann auf das anspruchsvollste Pulver ausgelegt werden, also auf das mit dem stärksten kohäsiven Verhalten und dem niedrigsten Arbeitsplatzgrenzwert.
Typische Situationen entstehen in der Pharmaproduktion, bei der Verarbeitung von Pigmenten oder in der Lebensmittelindustrie, wo verschiedene Rohstoffe an denselben Anlagen verarbeitet werden. Wechselnde Pulvertypen können das Fließverhalten der Staubkuchenschicht auf dem Filter stark verändern. Eine Anlage, die für ein rieselfähiges Produkt optimiert wurde, kann bei kohäsivem Nachfolgeprodukt schnell an ihre Grenzen stoßen.
Die Gefährdungsbeurteilung ist die Grundlage jeder Geräte- und Filterauswahl. Sie muss alle eingesetzten Pulver erfassen, deren AGW-Werte nach TRGS 900 berücksichtigen und die Explosionsschutzanforderungen nach GefStoffV einbeziehen. Enthält eines der Pulver krebserzeugende Bestandteile, greift das risikobezogene Maßnahmenkonzept der TRGS 910 mit Akzeptanz- und Toleranzkonzentration. In solchen Fällen reicht Staubklasse M nicht aus; Staubklasse H nach DIN EN IEC 60335-2-69 ist erforderlich.
Bei der Auslegung der Anlagengröße kann ein Gleichzeitigkeitsfaktor berücksichtigt werden. Wenn nicht alle Absaugstellen gleichzeitig in Betrieb sind, kann die Anlagengröße um bis zu 40 Prozent reduziert werden. Dieser Wert muss durch eine prozessbezogene Analyse belegt sein und darf nicht pauschal angesetzt werden.
Wie ULMATEC bei kohäsiven und rieselfähigen Pulvern unterstützt
Für Betreiber in der Pulver- und Schüttgutverarbeitung, die kohäsive Stäube sicher und normkonform absaugen müssen, analysieren wir den jeweiligen Werkstoff, Prozess und Volumenstrom und entwickeln, fertigen und montieren die passende Absauganlage dazu. Unsere Anlagen werden in Deutschland gefertigt und decken einen weiten Leistungsbereich ab.
- Auslegung nach Staubklasse L, M oder H gemäß DIN EN IEC 60335-2-69, abgeleitet aus dem AGW des jeweiligen Pulvers
- CF-Entstauber (Cartridge Filter) in den Baugrößen XS bis XXL für trockene Staubabsaugung, einschließlich kohäsiver Pulver mit verstärkter Druckluftabreinigung
- Berücksichtigung der Explosionsschutzzonen 20, 21 und 22 nach GefStoffV bei brennbaren Pulvern
- Integration von Filtrationssystemen für Mischbetrieb mit wechselnden Pulvertypen
- Technische Dokumentation für die Gefährdungsbeurteilung und BG-Prüfung inklusive
- Lieferung von Standardkomponenten innerhalb von 24 Stunden
Wenn Sie unsicher sind, welche Staubklasse für Ihr Pulver gilt oder wie Ihre Anlage für kohäsive Stäube ausgelegt werden muss, sprechen Sie uns an. Nehmen Sie jetzt Kontakt mit uns auf und schildern Sie Ihren Prozess. Wir prüfen die Anforderungen und legen die passende Absauganlage aus.
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