Nassagglomeration statt Sprühagglomeration

In Wasserdampf steckt viel Energie: 627 KWh sind theoretisch notwendig, um eine Tonne Wasser zu verdampfen – das entspricht grob dem täglichen Strombedarf von 100 Personen. Die Verfahrenstechnik nutzt Wasserdampf in vielen Prozessen – oder er entsteht: beispielsweise beim Trocknen von Pulvern und Schüttgütern. Und weil Energie kostbar ist, lohnt es sich bei Trocknungsprozessen genau hinzuschauen.

So zum Beispiel beim Herstellen von Granulaten wie Waschmitteln, Instantpulvern, Futtermitteln oder Baustoffen: Das geschieht oft in Sprühtrocknern oder Wirbelschichtprozessen. Die Verfahren sind vielseitig, weil der direkte Kontakt zwischen Partikeln und Gasstrom für eine intensive Durchmischung und eine hohe Wärmeübertragung sorgt. Gleichzeitig kann in Sprühtrocknern und vor allem Wirbelschichtapparaten eine Vielzahl von Anwendungen realisiert werden: Mischen, Trocknen, Granulieren, Beschichten und Agglomerieren von Partikeln, um nur einige zu nennen.

Häufig geht es darum, Pulver und Granulate herzustellen, die staubfrei rieseln, gut löslich sind oder deren Geruch oder Geschmack maskiert werden soll. Wird das Material gleichmäßig behandelt und gut durchmischt, führt das zu einer reproduzierbaren Produktqualität. Die Schattenseite: Vor allem das Sprühtrocknen ist ein energieintensiver Prozess, weil der Ausgangspunkt eine mehr oder weniger konzentrierte Lösung ist und oft bis zu 75 % Wasser verdampft werden müssen. Liegt das Ausgangsmaterial beispielsweise als 50-prozentige Lösung vor, müssen zehn Tonnen Wasser verdampft werden, um zehn Tonnen Produkt herzustellen. Allein für die Verdampfung sind dazu 6.270 KWh Wärmeenergie notwendig.

Mischer für schwierige Produkte

Inprotec betreibt an den Standorten Heitersheim und Genthin Wirbelschicht- und Sprühtrocknungsanlagen, in denen das Unternehmen je nach Anlagengröße jeweils zwischen 10.000 t und 50.000 t granulierte oder pulverförmige Produkte pro Jahr herstellen kann. In Genthin, Sachsen-Anhalt, verfügt das auf Lohnfertigung und Lohntrocknung spezialisierte Unternehmen zudem über eine Mischanlage, die in Zeiten teurer Energie für einige Produkte eine interessante Alternative zur Sprühagglomeration darstellt: den Nassagglomerator beziehungsweise die Misch-Agglomerationseinheit.

Die Maschine zeichnet sich durch mehrere Besonderheiten aus. Ursprünglich entwickelt, um hochviskose Melasse zu Futtermitteln zuzusetzen, können darin auch zähflüssige und klebrige Produkte zu Schüttgütern zugemischt werden. Die kontinuierliche Betriebsweise ermöglicht hohe Durchsatzmengen ohne Rüstzeiten. Ein weiteres Merkmal ist die flexible Innenwand des Mischers, die Rollen auf der Außenseite kontinuierlich durchwalken. Dadurch wird ein Selbstreinigungseffekt erzielt, der es erlaubt, auch schwierige Materialien zu verarbeiten.

Auf die Eigenschaften kommt es an

Ob Waschpulver oder Futtermittel – in der Regel handelt es sich bei den im Alltag genutzten Schüttgütern um Gemische verschiedener Stoffe. Für gleichbleibende Eigenschaften und eine konstante Qualität kommt es dabei auf die Genauigkeit der Mischung also die Mischgüte an, aber auch auf die Eigenschaften der Partikel: Wie eng oder breit ist die Partikelgrößenverteilung? Welche Schüttdichte weisen die Pulver auf? Wie ist es um das Dispergier- oder Entmischungsverhalten bestellt? Wie stark stauben die Produkte nach dem Transport und der Lagerung? Wie gut löst sich das Pulver in Wasser?

All diese Eigenschaften lassen sich über die Verfahrenstechnik einstellen – je nach Anwendungsfall entweder in Wirbelschichtprozessen oder durch das Nassgranulieren von Pulvern. Ein wesentlicher Teilschritt dabei ist die Pulveragglomeration, bei der feine Pulver zu größeren Partikeln zusammengefügt werden. Dadurch entstehen im Innern gleichmäßige Poren, in die später das Lösemittel – in der Regel Wasser – leicht eindringen kann. Über die deutlich größere Oberfläche verbessert sich so beispielsweise das Lösungs- und Dispergierverhalten. Zudem entstehen dadurch staubarme und gut fließfähige Pulver. Im Sprühturm oder in der Wirbelschicht geschieht die Agglomeration, indem Sprühmedien über Düsen eingebracht werden. Je nach Produkt und geforderten Agglomerateigenschaften kann das Sprühmedium neben Wasser auch organische oder anorganische Bindemittel (Kleber) enthalten. Diese sorgen dafür, dass sich Partikel verbinden und Agglomerate bilden, die unter dem Mikroskop ähnlich wie Oberflächen von Brombeeren oder Himbeeren aussehen.

Hohe Mischgüte, schnelle Agglomeration

In der Misch-Agglomerationseinheit entstehen die Agglomerate ebenfalls, indem Flüssigkeiten in Pulver eingearbeitet werden, die entweder bereits gemischt oder als ungemischte Einzelkomponenten zugeführt werden. Dosierorgane führen das Mischgut von oben in die Mischkammer. Mischblätter (Messer), die an einer vertikal angeordneten, sich schnell drehenden Welle angebracht sind, stellen die mechanische Energie bereit. Die Mischblätter lassen sich in ihrer Neigung verstellen, wodurch der Winkel, mit dem die Partikel auftreffen und beschleunigt werden, verändert werden kann. Gleichzeitig entsteht ein turbulenter Luftstrom, der Pulver- und Flüssigkeitspartikel intensiv vermischt. Damit in dem Prozess stets ein gleichmäßiges Verhältnis aus Pulvern und Flüssigkeit vorliegt, regeln ein gravimetrisches Dosiersystem sowie die Flüssigkeitsdüsen den Durchfluss. Die entstehenden Agglomerate fallen in einen Fließbett-Trockner, dessen Boden aus einer rechteckigen Rinne besteht. Diesen Siebboden durchströmt Warmluft von unten. Auf einer Strecke von mehreren Metern wird das Produkt langsam zum Austrag gefördert und trocknet dabei ab. Ein Taumelsieb ermöglicht im Anschluss die gewünschte Partikelgrößenverteilung. Eine Mühle zerkleinert das Grobgut, welches gemeinsam mit dem Feingut in den Mischprozess zurückgeführt wird.

Ist die Nassagglomeration die bessere Lösung?

Für die im Vergleich zu Sprühtrocknern oder Wirbelschichtprozessen günstigere Energiebilanz sorgen mehrere Faktoren: einerseits der geringere Wasserbedarf für den Agglomerationsschritt, wodurch beim Trocknen weniger Verdampfungsenergie benötigt wird. Zudem sind die benötigten Luftströme im Trocknungsprozess und die erforderlichen Verdichterleistungen für die Zerstäubungsluft geringer. Dazu kommt, dass im Fließbett mit niedrigeren Eingangstemperaturen getrocknet werden kann, typischerweise zwischen 60 und 100 °C. Um mehr Wasser in der geforderten Prozesszeit zu entfernen, sind in Sprüh- und Wirbelschichttrocknern im Gegensatz dazu Trockner-Eingangstemperaturen von teilweise über 200 °C notwendig. Der Nassagglomerator kann also auch für temperaturempfindliche Produkte von Vorteil sein. In der Gesamtbilanz erfordert dieses Verfahren verglichen mit einem Sprühtrockner etwa ein Drittel weniger Energie, um Agglomerate herzustellen.

Ist die Nassagglomerationseinheit also die bessere Lösung, um Pulver zu agglomerieren? Pauschal lässt sich diese Frage nicht beantworten. Die Nassgranulierung sollte vielmehr als erwägenswerte Alternative betrachtet werden. In der Praxis müssen in der Regel die Formulierung und die Rezeptur des Produkts angepasst werden, um den Herstellungsprozess von Wirbelschichtverfahren auf einen Nassagglomerator umzustellen.

Die Sprühgranulation oder -trocknung ist immer dann von Vorteil, wenn Waschmittelrohstoffe als Lösungen in Tankzügen angeliefert werden und als Reinstoffe getrocknet werden sollen. Oder dann, wenn die Rezeptur – beispielsweise bei Futtermitteln oder Baustoffen – vorsieht, aus festen Rohstoffen zunächst eine Lösung, Suspension oder Emulsion herzustellen. Zudem erzeugen Sprühtrocknungs- und Wirbelschichtprozesse ein sehr gleichmäßiges und enges Partikelspektrum und es lassen sich auch sehr feine Pulver herstellen. Der Einsatz des Nassagglomerators ist eine Überlegung wert, wenn Mehrkomponentensysteme, in denen der pulverförmige Feststoffanteil dominiert, agglomeriert werden müssen oder viskose Flüssigkomponenten zum Einsatz kommen.

Es zeigt sich, dass maßgeschneiderte Lösungen immer wichtiger werden und Verfahrensalternativen wie die Misch-Agglomerationseinheit dazu beitragen können, diese Herausforderungen zu bewältigen. Als Lohnhersteller, der unterschiedliche Verfahren beherrscht, ist Inprotec in der Lage, gemeinsam mit einem Auftraggeber die beste und energieeffizienteste Lösung zu entwickeln.

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