Wirbelschichtsprühgranulation (Kooperationsprojekt mit BASF SE )

 
 
Aus Gründen der Handhabbarkeit und Sicherheit werden im zunehmenden Maße von der Industrie aber auch vom Endverbraucher körnige Produkte gefordert. Diese sind im Vergleich zu pulverigen Feststoffen staubfrei, leicht dosierbar und weisen ein besseres Fließverhalten auf. Mit dem Verfahren der Wirbelschichtsprühgranulation können flüssige Produkte wie Suspensionen oder Lösungen in Feststoffpartikeln von 0,3 bis 30 mm Größe umgewandelt werden. Hierfür wird die zu granulierende Flüssigkeit zerstäubt und in eine Wirbelschicht aus Produktpartikeln eingedüst. Die Tröpfchen lagern sich an die vorhandenen Partikeln an, und das Lösungsmittel verdunstet in das heiße, trockene Fluidisiergas. Der in der flüssigen Phase suspendierte bzw. gelöste Feststoff bleibt an der Oberfläche der Partikeln zurück, aus denen auf diese Weise Granulate entstehen. Bei unvollständiger Trocknung können aus den Granulaten durch die Bildung von Flüssigkeits- bzw. Feststoffbrücken auch Agglomerate entstehen.
 

Abb.1: Partikelwachstum durch Agglomeration oder Granulation

Die im Verfahrensraum simultan ablaufenden Prozesse der Benetzung, Trocknung und Formgebung bewirken die Eigenschaften des festen Produktes wie z.B. Abriebfestigkeit oder Redispergierbarkeit, die durch die Wahl der Betriebsbedingungen gezielt beeinflußt werden können. Zum jetzigen Zeitpunkt sind die einzelnen Wirkungsmechanismen und ihr Zusammenwirken allerdings nur ungenügend verstanden, so daß der industrielle Einsatz des Verfahrens teure Vorversuche erfordert. Im Rahmen eines AiF-Forschungsvorhabens wurde daher am Institut ein Wirbelschicht-sprühgranulator zur Untersuchung der Vorgänge beim Partikelwachstum betrieben. Mit den durchgeführten Untersuchungen konnte dabei gezeigt werden, wie die Trocknungsvorgänge ablaufen und weshalb es unter bestimmten Bedingungen zu einer unkontrollierten Agglomeration der Partikeln untereinander kommt. Weitere Untersuchungen haben zur Aufklärung der Mechanismen bei der Bildung und dem Wachstum von Granulaten beigetragen.
Das Verfahren der Wirbelschicht-Sprühgranulation dient dem gezielten Erzeugen und Formulieren von grobkörnigen Granulaten aus Suspensionen und Lösungen. Im industriellen Maßstab führen wirtschaftliche Überlegungen dazu, eine kontinuierliche Fahrweise des Prozesses anzustreben. Für den sicheren kontinuierlichen Betrieb eines Wirbelschicht-Sprühgranulationsprozesses ist die kontrollierte Bereitstellung von Granulatkeimen eine Grundvoraussetzung. Bei diesem Verfahren kommt es bei geeigneter Prozessführung in der Regel zu interner Eigenkernbildung aus dem im Prozess erzeugten Produktstaub. Parallel kommt es aber auch zur Staubeinbindung, also der Anlagerung des Staubes an die wachsenden Granulate.
Es existieren bislang nur rudimentäre Modellvorstellungen über beide - für den Prozess wesentliche - Mechanismen. Ziel des Forschungsprojektes ist daher die Aufklärung der Mechanismen und der Einflüsse der Betriebsparameter auf dieselben. Ein weiterer Aspekt ist die Entwicklung eines Konzeptes zur gezielten Nutzung der Erkenntnisse für einen sicheren und kontrollierten Betrieb des Prozesses. Zu diesem Zweck sollen quantitative Modellvorstellungen entwickelt werden. Ziel ist, die genannten Mechanismen in einer Form zu erfassen, welche eine Systemcharakterisierung und ihre Übertragung in die Technik unter Verwendung geeigneter Simulationsmethoden ermöglichen.
Das Projekt wird zur Zeit als Kooperationsprojekt mit der BASF SE durchgeführt.
 

Abb.2: Wirbelschicht ohne Eindüsung
 

Hier eine Gegenüberstellung von REM-Bildern des Ausgangsmaterials und des fertigen Produktgranulates:

                         
Abb.3: Ausgangsmaterial Calcilit-Staub                            Abb.4: Produktgranulat