Folie 7.1. Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik

Transkript

1 Folie Agglomeration Prozessziele und Wirkprinzipien Beanspruchungsarten und Festigkeit der Agglomerate Aufbauagglomeration Prozessgrundlagen Pelletierausrüstungen Pelletierteller Pelletiertrommeln Pellethärtung Pressagglomeration (Brikettieren, Tablettieren) Kompressibilität und Verpressbarkeit Mikroprozesse Kompressibilität der Stoffe Ausrüstungen für die Pressagglomeration Stempel- und Tablettenpressen Strang- und Lochpressen Walzenpressen Schwerpunkte und Kompetenzen

2 Folie Prozessziele und Wirkprinzipien OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik Lösung praktischer Probleme: Verhärtung von Produkten Verhärtetes KCl 99 im Lagerschuppen Riesige Klumpen auf dem Förderband Physikalisch-chemische Ursache: Kristallisationsbrücken zwischen den KCl 99 Partikeln, d = µm Lösungsmethode: Bestimmung der Verhärtungsdynamik, Messung der Scherfestigkeiten im Labor, Übertragung der Laborergebnisse auf die Auslegung von Transport und Lagerprozessen von Feststoffprodukten

3 Folie 7.3 OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik Herstellung von fließfähigen Produkten durch Pressagglomeration Agglomerieren ist ein Prozess der mechanischen Kornvergrößerung. Walzenpresse Produkte

4 Folie 7.4 Pellets und Granulate aller Art Cellets Pelletierung Pharma Mikropellet < 500 µm Coating Pharma Mikropellet < 500 µm (Cross-Section) Coating Pharma Instant-Tee Agglomeration Lebensmittel Aromen Verkapselung Lebensmittel Süßstoff Agglomeration Lebensmittel Aminosäure Coating Futtermittel Polymer Agglomeration Feinchemie Waschmittelkomponente Sprühgranulation Feinchemie Quelle:

5 Folie 7.5 Scarabaeus - kommt in Südeuropa und Afrika vor - typischer Vertreter der Gattung Mistkäfer - biologischer Agglomerator Scarabaeus Sacer (Größe ca mm) Ausgewachsener Käfer beim Agglomerieren

6 Folie Wirkprinzipien der Agglomerationsprozesse

7 Folie Beanspruchungsarten und Festigkeit der Agglomerate

8 Partikel Bindemittel Poren σz Folie 7.8 OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG möglische Bruchverläufe Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik Untersuchung unerwünschter Bruchprozesse von Agglomeraten σz Agglomerat Zugspannung Der Bruch unter Zugspannung Die Bruchphänomene bei plastischem Verhalten Zerkleinerung Wirbelschicht Entleerung Förderung Handhabung Lagerung Es wird nach Anwendung und/oder Handhabung eine Mindest- oder Maximalfestigkeit verlangt Die Kraft-Weg-Kurve bei Druckversuchen

9 Folie 7.9

10 Folie Agglomeratfestigkeiten

11 Folie Aufbauagglomeration (Pelletieren) 1. Pelletiertrommel und Pelletierteller A - Aufgabegut P - grüne Pellets W - Wasser 2. Modellvorstellungen zur Pelletkeim- bzw. Pelletbildung Pelletkeimbildung (schematisch) Modellvorstellung über den Anlagerungsmechanismus der Pelletbildung (nach Pietsch)

12 Folie Pelletierteller 1) Teller; 2) Tellerantrieb; 3) Wasserzuführung; 4) Bodenabstreifer; 5) Vorrichtung zum Verstellen der Tellerneigung Tellerneigung β; Böschungswinkel ϕ' des bewegten Gutes - Ableitung der kritischen Drehzahl n krit b Bewegungsverhältnisse auf Pelletiertellern in Abhängigkeit von der Drehzahl (nach Pietsch) Mittlere Pelletgröße in Abhängigkeit von der mittleren Verweilzeit bzw. dem Durchsatz und der Feuchte des Gutes für den Pelletierbetrieb Pelletiertiefteller 1) Teller; 2) Schneckenförderer 3) Wasserzuführung; 4) Pelletiergut P - grüne Pellets

13 Folie 7.13

14 Folie 7.14

15 Folie Pressagglomeration 1. Wirkprinzipien der Pressagglomeration a) in geschlossener Form b) in offener Form c) durch Walzendruck P - Agglomerat; F P - Presskraft; F R - Wandreibungskraft im Formkanal; h - Stempelhub; l - Füllstand im unverdichteten Zustand; s - Presslingsdicke; k = l/s - Verdichtung; β 1 - halber Einzugswinkel; 1 - Presstempel; 2 - Pressform 2. Mikroprozesse und Deformationsvorgänge beim Pressverdichten (Kompaktieren) p p h(t) h(t) h 0 a) Einzug der lockeren Packung b) elastisch-plastische Kontaktdeformation c) Füllen der Poren durch Feingut p p p h(t) h(t) h(t) d) plastische Deformation der Partikel zur Erzeugung großer Kontaktflächen e) oberflächliche Brüche (Abbröckeln) Bruch der Partikel, Füllen der Poren f) plastische Deformation des gesamten Presslings

16 Folie 7.16 Pressagglomeration 3. Kraftübertragung während der Pressverdichtung (nach Orr) Drücke der Isobaren in den Bildern a) bis g) in MPa; Dichten der Isodichte- Linien im Bild h) in % der Feststoffdichte 4. Kompaktierfunktion eines kohäsiven Pulvers Kompaktatfestikeit lg (σ T in MPa) Tabletten-, Brikett- oder Schülpenfestigkeit σ T σ T = f(p) Einaxiale Druckfestigkeit σ c Für Trichterauslegung σ c = a 1 σ 1 + σ c,0 0 Verfestigungsdruck σ Kompaktierdruck lg (p in MPa)

17 Folie 7.17 Isentropische Pulverkompression Adiabatische Gaskompression: dv dp = 1 κ ad V p Isentropische Schüttgutkompression: ρ b dρ ρ b = n σ M,st ρb,0 b 0 M,st 0 σ dσ M,st + σ (1) (2) n = 1 Kompressibilitätsindex eines idealen Gases Schüttgutdichte ρ b ρ b,0 0 < n < 1 kompressibel n = 0 inkompressibel σ M,st σ 0 ρ b = ρ b,0 (1 + ) n isostatische 0 Zugfestigkeit -σ 0 MOHR-Kreis-Mittelpunktsspannung beim stationären Fließen σ M,st Kompressibilitätsindex von Schüttgütern, semi-empirische Abschätzung Index n Bewertung Beispiele Fließfähigkeit 0 0,01 inkompressibel Schotter frei fließend 0,01 0,05 wenig kompressibel feiner Sand 0,05-0,1 kompressibel trockene Pulver kohäsiv 0,1-1 sehr kompressibel feuchte Pulver sehr kohäsiv

18 Folie 7.18 Kompressionsrate, -funktion und -arbeit Schüttgutdichte ρ b ρ b,0 isostatische Zugfestigkeit -σ 0 0 W m,b =.. (1 + ) - 1 ρ b,0 n σ 0 n 1 - n σ 0 ρ b,0 p 0 < n < 1 p ρ b = ρ b,0 (1 + ) dρ b dp σ 0 1-n = n mittlerer Druck p σ 0 ρ b n p + σ 0 Kompressionsrate dρ b /dp spezifische Kompressionsarbeit W m,b

19 Folie 7.19 Kompressions- und Scherarbeit F N z.b. beim Anscheren: τ An, FO3 FS s Scherkraft F S τ An, FO2 τ An, FO1 W b,an = F S (s) ds s An Scherweg s spezifische Kompressions- und Anscherarbeit W m,b, W m,b,an W m,b,an = (1 + ) s An. sin 2ϕ st 2. h Sz σ 0 ρ b,0. s An sin 2ϕ st σ 0 2. h Sz ρ b,0 n 1 - n σ 0 σ M,st 0 < n < 1 W m,b =.. (1 + ) - 1 ρ b,0 σ M,st σ 0 1-n σ 0 1-n isostatische 0 Zugfestigkeit -σ 0 l mittlerer Druck beim stationären Fließen σ M,st

20 Folie Stempel- und Tablettenpressen a) Stempelpresse b) Tablettenpresse 1) Exzenterantrieb; 2) Oberstempel; 3) Unterstempel 4) umlaufender Tisch mit eingearbeiteten Formen; 5) Fülltrichter 2. Strang- und Lochpressen a) Stempelstrangpresse f) Lochringwalzenpresse b) Schneckenpresse g) Lochwalzenpresse mit c) Einfachwalzenpresse mit Lochscheibe verzahnten Formwerkzeugen d) Lochwalzenpresse mit einer Lochwalze 1) Ablösemesser e) Lochwalzenpresse mit zwei Lochwalzen A - Aufgabegut B - Brikett

21 Folie 7.21

22 Folie 7.22 Pressagglomeration Pressvorgang in einer Strangpresse (nach Kegel und Rammler) Schematische Darstellung der Abnahme der elastische Rückdehnung und der Zunahme der Dichte eines Brikettes während aufeinander folgender Presszyklen in einer Strangpresse

23 Folie 7.23 Schubkurbel - Strangpresse (Bauart ZEMAG) 1) Brikettform; 2)Stempel; 3) Stempelhalter; 4) Pressenkopfdeckel 5) Druckstück; 6) Kohlenausfallschacht; 7)Gleitblock; 8) Schubstange Vakuumstrangpresse Fabrikat Breitenbach Typ VAS 56b Zylinder-Ø: 560 mm Preßkraft: max. 500 kn Antriebsmotor: 240 KW

24 Folie 7.24 Walzenpresse (Bauart KÖPPERN) 1) Walzen mit Formringen 2) Walzenkern mit Achszapfen 3) Hydraulikzylinder 4) Hydraulikspeicher 5) Hydraulikpumpe 6) Umlaufschmierung