Tropfen in Schwingung

Gleichmäßige Granulat-Partikel aus niedrigviskosen Schmelzen

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11.10.2016 Stoffe mit niedriger Viskosität zu sphärischen Partikeln zu verarbeiten, ist eine Herausforderung: Während die gleichmäßige Granulierung thermoplastischer Kunststoffe etabliert und verbreitet ist, sind einheitliche Korngrößen bei niedrigviskosen Medien deutlich schwerer zu erzielen. Kugelförmige Granulate haben jedoch gegenüber anderen Formen, wie unregelmäßige, abgeschabte Flocken oder kalottenförmige Pastillen, vorteilhaftere und vor allem einheitlichere Schüttgut-Eigenschaften.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Im beschriebenen Verfahren lassen sich Flüssigkeiten, Lösungen und Schmelzen mit geringer Viskosität in kugelförmige Partikel granulieren.
  • Harmonische Schwingungen am Düsenkopf des Granuliersystems bewirken eine gleichmäßige Tropfenbildung und damit eine enge Größenverteilung des erhaltenen Granulats.
  • Zahlreiche variable Prozessparameter lassen sich an eine Vielzahl von Ausgangsstoffen anpassen und auf unterschiedliche Partikelgrößen einstellen.

Granulierung mit harmonischer Schwingung

Um auch dünnflüssigere Medien derartig granulieren zu können, hat Maag Automatik das Vertropfungs-Granuliersystem Droppo entwickelt. Damit lassen sich niedrigviskose Schmelzen und Flüssigkeiten mit einer Viskosität < 500 mPas verarbeiten. Dazu gehören unter anderem Kunststoff-Vorprodukte wie Dimethylterephthalat, Maleinsäureanhydrid oder Urea, Kunststoff-Additive oder niedrigviskose Kunststoffe wie PET. Weitere Einsatzgebiete sind Hilfsstoffe für die Chemie wie Phenothiazin, Komponenten von Pharmarezepturen oder die Verkapselung von Wirkstoffen für die Aroma- und Lebensmittelindustrie. Die Obergrenze von 500 mPas ist kein Absolutwert, unter Laborbedingungen ließen sich auch Schmelzen bis rund 1.000 mPas verarbeiten.

Vorraussetzung ist, dass sich der zu verarbeitende Stoff in flüssige Form mit niedriger Viskosität überführen lässt. Außerdem sollte er sich mit vertretbarem Aufwand wieder in den festen Aggregatzustand umwandeln lassen. Die bekannten Methoden der Schmelzeerzeugung, wie Extruder oder Aufschmelzbehälter, sind je nach Stoffklasse auch im Zusammenspiel mit der Vertropfung geeignet. Das Fördern der Schmelze zur Vertropfungseinheit kann beispielsweise mittels Schmelzepumpe oder durch Überlagerung von Inertgas-Druck im Schmelzebehälter erfolgen. Kernkomponente des Vertropfungssystems ist der Düsenkopf, eine Platte mit konzentrisch angeordneten Bohrungen. Dort wird die niedrigviskose Schmelze, Lösung, Suspension oder Emulsion mit einer harmonischen Schwingung beaufschlagt. Der Schmelzestrom tritt aus den Düsenbohrungen aus. Unmittelbar nach dem Austritt zeigt der Schmelzestrahl erste Einschnürungen und zerfällt durch die aufgebrachte Vibration nach wenigen Zentimetern Fallhöhe in sehr gleichmäßige Tropfen. Die Frequenz der harmonischen Schwingung ist in der Vertropfungseinheit in weiten Grenzen variabel. Das Optimum ist abhängig von Durchsatz, Bohrungsdurchmesser und rheologischen Eigenschaften der Schmelze. Je Vertropfungseinheit sind Durchsätze bis 1.500 kg/h möglich. Höhere Durchsätze lassen sich mit mehreren zusammengefassten Vertropfungseinheiten erreichen.

Vom Tropfenschauer zum Schüttgut

Aufgrund der materialspezifischen Oberflächenspannung nehmen die Tropfen eine Kugelform an. Die Größe der Kugeln ist abhängig vom Durchmesser der Düsenbohrungen sowie den Materialeigenschaften und variiert in bisherigen Anwendungen von etwa 0,2 bis 4 mm. Die Obergrenze ist primär in der Partikelform zu sehen – mit zunehmendem Durchmesser werden die Kugeln eher unrund. Die untere Grenze des Partikeldurchmessers ergibt sich aus der Herstellbarkeit der kleinen Düsenbohrungen sowie aus dem Massedruck, der notwendig ist, um die Flüssigkeit durch sehr kleine Bohrungen zu pressen. Beide Grenzwerte sind nicht als Absolutwert anzusehen, jedoch ist deren Umfeld individuell sehr genau zu analysieren.

Um die Tropfen zu Granulatkugeln zu verfestigen, müssen sie unmittelbar nach dem Entstehen gekühlt werden. Kühlung und Verfestigung sind neben der Tropfenbildung und den Materialeigenschaften entscheidende Schritte beim Einstellen des Granulat-Durchmessers. Typische Schüttguteigenschaften, wie gleichmäßige Kornverteilung, Schüttdichte, Rieselfähigkeit, Staubfreiheit oder Restfeuchtegehalt, lassen sich in gewissen Grenzen durch die Verfahrensführung beeinflussen. Die Handhabung und eventuelle Nachbehandlung der hergestellten Partikel beinhaltet zahlreiche Variationsmöglichkeiten und geschieht mit den bekannten Verfahren des Schüttguthandlings.

Richtiges Kühlen für richtige Kugeln

Als Kühlmedien für die Kugeln kommen Luft, Inertgase, wie Stickstoff oder auch Kühlwasser, in variabler Konfiguration zum Einsatz, etwa durch Sprühen oder Vernebeln. Die Luft- oder Stickstoffkühlung bietet sich für alle Produkte an, die wasserlöslich oder sehr aufwendig zu trocknen sind, etwa Kunststoff-Additive wie Wachse oder Fettsäuren. Hierbei kühlt ein Luftstrom die Kugeln in einem Fallturm ab. Je nach Wärmeinhalt und Größe der Granulatkugeln können Fallhöhen von 8 bis 20 m erforderlich sein. Wesentliche Parameter neben der Art des Gases sind dessen Temperatur und Feuchtegehalt sowie Strömungsrichtung und Gasdurchsatz.

Produkte, die einen sehr hohen Wärmeinhalt besitzen, beispielsweise niedrigviskose Polyester, werden mit Wasser gekühlt. Stoffe, die chemisch aushärten müssen, und Erzeugnisse aus der Wirkstoffverkapselung werden ebenso in Flüssigkeiten gekühlt. Die Vertropfung erfolgt dabei direkt in ein Wasserbad oder einen Flüssigkeitsvorhang, wo die Granulatkugeln reagieren, auskühlen und verfestigen. Auch für flüssige Kühlmedien sind Menge, Flussrichtung und Temperatur entscheidende Prozessparameter, die entsprechend einzustellen und regelungstechnisch zu verarbeiten sind.

Flexibles Verfahren mit Erweiterungspotenzial

In den verschiedenen Verfahrensschritten gibt es vielfältige Variationsmöglichkeiten, wodurch einerseits die Bandbreite der zu verarbeitenden Stoffe und andererseits das Eigenschaftsprofil der herstellbaren Produkte in weiten Grenzen variabel sind. Damit ist das Vertropfungs-Granulierverfahren für zahlreiche Stoffklassen geeignet. Auch Mikropartikel oder aus mehreren
Komponenten aufgebaute Mehrschichtstrukturen sind möglich.

Beim Entwickler und Hersteller des Verfahrens will man sich mit dem bisher Erreichten jedoch keineswegs zufrieden geben: Individuelle Anforderungen zur Herstellung gleichmäßiger Partikel sind der Antrieb, das Granulierverfahren auf seine Tauglichkeit für weitere Stoffe in unterschiedlichen Anwendungen zu prüfen. Die Flexibilität und Variabilität des Systems bedeuten, dass neben den bereits erprobten Stoffen und Stoffklassen zukünftig auch das Granulieren weiterer Medien in gleicher Weise möglich sein wird. 1609ct924

Zur Technik:
Vollständiges System für jede Größe

Für die Produktion großer Mengen im industriellen Maßstab steht das Vertropfungs-Granuliersystem Droppo in der Baugröße 300 zur Verfügung. Mittlere Durchsätze hochqualifizierter Produkte werden mit der Baugröße 50 bedient. Für Kleinstmengen im Labor- und Entwicklungsbedarf ist eine Mini-Droppo erhältlich. Zum Anlagenaufbau gehören außer den Kernkomponenten des Vertropfungs-Granuliersystems je nach Anwendungsfall weitere Systembestandteile und Dienstleistungen. Darunter fallen die zur Aufbereitung und zum Handling von Schmelze, Flüssigkeit und Kühlmittel sowie des produzierten Granulats erforderlichen Einheiten. Hinzu kommt die komplette Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik. Die Engineering-Leistungen spannen einen weiten Bogen von der einfachen Anlagenplanung, über FMEA, Medienbilanzen, bis hin zu den in bestimmten Branchen üblichen Abnahmen beim Hersteller (FAT) oder am Aufstellort (SAT) sowie anwendungsspezifischen genormten Prüfungen des gesamten Lieferumfangs oder einzelner Komponenten.

K 2016 Halle 9 – A04

Heftausgabe: Oktober 2016

Über den Autor

Dr. Horst Müller, Product Manager, Maag Automatik
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