Granulate werden aufgrund ihrer Produkteigenschaften in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt, wie zum Beispiel als Waschmittel, Düngemittel oder Tierfutter. Körnige Produkte sind im Vergleich zu pulvrigen Feststoffen, staubfrei, leicht dosierbar und weisen ein besseres Fließverhalten auf. Diese Produkteigenschaften sind für eine gute Handhabbarkeit und für einen sicheren Umgang mit bestimmten Materialien notwendig.

Der Prozess der Wirbelschicht-Sprühgranulation wird im großtechnischen Maßstab zur Herstellung von Granulaten verwendet. In diesem Prozess, der die Feststoffbildung mit der Feststoffformulierung vereint, können Suspensionen, Lösungen oder Schmelzen in Feststoffpartikel umgewandelt werden. Tropfen aus den Zerstäubungsdüsen werden dafür in eine Wirbelschicht eingedüst. Die Tröpfchen benetzen die Oberfläche der in der Wirbelschicht vorhandenen Partikel und das Lösungsmittel verdunstet bzw. die Schmelze erstarrt aufgrund der heißen bzw. kalten Fluidisationsluft.

Abbildung 1: großtechnischer Granulator

Harnstoff ist der wichtigste Stickstoffdünger weltweit. Aufgrund des stetigen Bevölkerungswachstums und der damit verbundenen erhöhten Nachfrage nach Lebensmitteln und Biokraftstoffen ist die Erzeugung von Düngemitteln für landwirtschaftliche Betriebe wichtiger denn je. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, werden Harnstoffgranulate für den Düngemittelbereich in großtechnischen Anlagen aus Harnstoffschmelze produziert.

Im großtechnischen Maßstab wird der Harnstoffgranulationsprozess durch hintereinandergeschaltete und miteinander verbundene Granulationskammern realisiert, welche durch herabhängende Wände voneinander getrennt sind (Abbildung 1). Eine enge Produktpartikelgrößenverteilung wird durch einen nachgeschalteten Klassierprozess eingestellt. Hierbei werden Granulate, die als Produkt zu groß sind in eine Mühle geleitet, zerkleinert und danach der ersten Kammer zusammen mit zu kleinen Granulaten aus dem Sieb zugeführt (Abbildung 2). Entwicklungsziel dieses Projektes ist es, die Granulatgröße im Granulator so einzustellen, dass der nachgeschaltete Sieb-Mahl-Prozess minimiert werden kann.

Abbildung 2: großtechnischer Granulationsprozess mit nachgeschaltetem Sieb-Mahl-Prozess

Um dieses Entwicklungsziel zu erreichen, ist ein umfassendes Verständnis der physikalischen Mechanismen bei der Wirbelschicht-Sprühgranulation (Fluiddynamik, Tropfenabscheidung, Staubeinbindung, Erstarrung, Abrieb etc.) unabdingbar. Am Institut für Thermische Verfahrenstechnik wird schon seit mehr als 15 Jahren an den im Prozess vorkommenden Granulationsmechanismen geforscht. Aufbauend auf den in Vorgängerarbeiten gewonnenen Kenntnissen soll ein Gesamtmodell zur numerischen Beschreibung des großtechnischen Granulationsprozesses entwickelt werden.  Mit dem momentan entwickelten Modell, welches auf numerischen Methoden basiert, können kostengünstige Parameterstudien zur Optimierung des Prozesses durchgeführt werden ohne, dass eine zeit- und kostenintensive Versuchsanlage benötigt wird. Ebenfalls ist es mit numerischen Methoden möglich, an experimentell schlecht zugängliche Informationen im Granulator zu gelangen. Für das Modell werden mehrere am Institut verfügbare, numerische Strömungs- und Prozesssimulationsprogramme verwendet (ANSYS Fluent, Matlab, ASPEN/SolidSim).