Folie 7.1 7 Agglomeration 431 7.1 Prozessziele und Wirkprinzipien... 431 7.2 Beanspruchungsarten und Festigkeit der Agglomerate... 432 7.3 Aufbauagglomeration... 433 7.3.1 Prozessgrundlagen... 433 7.3.2 Pelletierausrüstungen... 436 7.3.2.1 Pelletierteller... 437 7.3.2.2 Pelletiertrommeln... 438 7.3.3 Pellethärtung... 439 7.4 Pressagglomeration (Brikettieren, Tablettieren)... 440 7.4.1 Kompressibilität und Verpressbarkeit... 441 7.4.1.1 Mikroprozesse... 441 7.4.1.2 Kompressibilität der Stoffe... 442 7.4.2 Ausrüstungen für die Pressagglomeration... 449 7.4.2.1 Stempel- und Tablettenpressen... 449 7.4.2.2 Strang- und Lochpressen... 450 7.4.2.3 Walzenpressen... 452 7.5 Schwerpunkte und Kompetenzen... 454
Folie 7.2 7.1 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 = 100 600 µm Lösungsmethode: Bestimmung der Verhärtungsdynamik, Messung der Scherfestigkeiten im Labor, Übertragung der Laborergebnisse auf die Auslegung von Transport und Lagerprozessen von Feststoffprodukten
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
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: www.glatt.de
Folie 7.5 Scarabaeus - kommt in Südeuropa und Afrika vor - typischer Vertreter der Gattung Mistkäfer - biologischer Agglomerator Scarabaeus Sacer (Größe ca. 25... 30 mm) Ausgewachsener Käfer beim Agglomerieren
Folie 7.6 7.1 Wirkprinzipien der Agglomerationsprozesse
Folie 7.7 7.2 Beanspruchungsarten und Festigkeit der Agglomerate
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
Folie 7.9
Folie 7.10 7.2 Agglomeratfestigkeiten
Folie 7.11 7.3 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)
Folie 7.12 3. 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
Folie 7.13
Folie 7.14
Folie 7.15 7.4 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
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 1 10-3 Kompaktierdruck lg (p in MPa)
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
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
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
Folie 7.20 1. 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
Folie 7.21
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
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
Folie 7.24 Walzenpresse (Bauart KÖPPERN) 1) Walzen mit Formringen 2) Walzenkern mit Achszapfen 3) Hydraulikzylinder 4) Hydraulikspeicher 5) Hydraulikpumpe 6) Umlaufschmierung