Agglomeration: Trommelagglomeratoren

Agglomerationsprozesse sind in der Verfahrenstechnik allgegenwärtig, sei es gewollte Agglomeration durch einen Prozess oder unerwünschte Agglomeration wie z. B. Verbacken (Caking). Diese Seite zielt darauf ab, die physikalischen Phänomene zu erklären, die die Agglomeration von Pulverpartikeln verursachen, da ein solches Verständnis entscheidend ist, um sicherzustellen, dass eine Anlage ordnungsgemäß arbeitet – insbesondere bei Prozessen wie Wirbelschicht-Agglomeratoren, Walzenkompaktoren, Tablettenpressen, Extrusion oder Sintern.

1. Was ist die Agglomeration von Pulverpartikeln?

Agglomeration bezeichnet den Vorgang, bei dem ursprünglich getrennte Feststoffpartikel zu einem Konglomerat vereint werden, das eine Masse von Partikeln darstellt, die aneinander haften.

Der Agglomerationsprozess kann mit verschiedenen Agglomerationstechnologien durchgeführt werden. Die gängigsten sind folgende:

• Telleragglomeratoren
• Hochscher-Mischer
• Trommelmischer
• Wirbelschicht-Agglomeratoren
• Tablettenpressen
• Walzenkompaktoren
• Extrusion
• Sintern

Jede dieser Technologien nutzt unterschiedliche Mechanismen, um sicherzustellen, dass Feststoffpartikel ein ausreichend stabiles Agglomerat bilden, das den gewünschten Produkteigenschaften entspricht.

2. Bindemechanismen der Agglomeration

Die Agglomeration von Feststoffpartikeln kann auf fünf verschiedene Kategorien von Bindemechanismen zurückzuführen sein. Bei einem spezifischen Agglomerationsprozess können einer oder mehrere dieser Mechanismen eine Rolle spielen.

2.1 Feststoffbrücken

Feststoffbrücken sind die stärkste Verbindung, die zwischen Partikeln während der Agglomeration entstehen kann, da sie direkt durch feste Materie miteinander verbunden werden.

Feststoffbrücken können durch folgende Phänomene entstehen:

• Sintern (die Partikel, ausreichend erhitzt, "verschmelzen")
• Partielles Schmelzen der Kontaktflächen zwischen Partikeln (unterschiedlich zum oben beschriebenen Sinterprinzip)
• Chemische Reaktionen
• Rekristallisation, die oft in Gegenwart von Wasser auftritt: Der Feststoff löst sich unter bestimmten Bedingungen, wird anschließend verdampft. Dies kann auch durch eine Lösung mit kolloidalen Stoffen erreicht werden, die zur Benetzung der Feststoffpartikel verwendet wird und danach verdampft, wobei die kolloidalen Partikel Feststoffbrücken hinterlassen.

2.2 Adhäsions- und Kohäsionskräfte

Diese Kräfte treten typischerweise auf, wenn sich eine Schicht eines bestimmten Stoffes zwischen zwei Partikeln befindet.

Dies ist der Agglomerationsmechanismus, der von viskosen Flüssigbindemitteln genutzt wird, die zwischen die Partikel gelangen und sie zusammenkleben. Das Bindemittel wird während des Agglomerationsprozesses zugegeben. Abhängig von der zugegebenen Menge kann es sogar zu einem Matrixbindemittel werden, was bedeutet, dass der gesamte Zwischenraum zwischen den Partikeln – nicht nur eine Schicht – vom Bindemittel ausgefüllt wird.

Partikel können auch Moleküle an ihrer Oberfläche adsorbieren. Diese sehr dünne Schicht kann bei eher kleinen Partikeln eine Rolle spielen, da zwei Adsorptionsschichten auf zwei Partikeln diese anziehen und zusammenhalten können.

2.3 Oberflächenspannung und Kapillarkräfte: Flüssigkeitsbrücken

Das Vorhandensein einer Flüssigkeit – meist Wasser – ist eine der Hauptursachen für die Agglomeration von Partikeln. Wasser an der Oberfläche von Feststoffpartikeln kann durch freies Wasser oder Kapillarkondensation Flüssigkeitsbrücken bilden. Wenn Wasser die Poren der Feststoffe bis zur Oberfläche füllt, kann sich ein negativer Kapillardruck in der Pore entwickeln, der eine Kraft am Ende der Flüssigkeitsbrücke erzeugt und die Partikel zusammenhält.

Diese Flüssigkeitsbrücken entstehen am "Berührungspunkt" oder Koordinationspunkt zwischen zwei Partikeln.

2.4 Anziehungskräfte zwischen Feststoffen

Diese Kräfte sind auf sehr kleiner Skala – zwischen Molekülen – bedeutend und können auf dieser Ebene hoch sein. Sobald jedoch der Abstand zwischen den Partikeln zunimmt, werden diese Kräfte im Vergleich zu den anderen in diesem Abschnitt genannten Mechanismen vernachlässigbar. Da sie nur bei sehr geringem Abstand zwischen Partikeln wirken, sind sie vor allem für sehr feine Partikel (einige Dutzend Mikrometer oder sogar Nanopartikel) von Bedeutung.

Anziehungskräfte können molekularen, elektrischen oder magnetischen Ursprungs sein. Die beteiligten Kräfte sind folgende:

• Van-der-Waals-Kräfte
• Valenzkräfte
• Nicht-Valenz-Assoziationen (z. B. Wasserstoffbrückenbindungen)
• Elektrostatische Kräfte
• Magnetische Kräfte

2.5 Mechanische Verklammerung

Das Phänomen der mechanischen Verklammerung, das Partikeln hilft, in einem Konglomerat zusammenzuhalten, hängt mit der Form der Partikel zusammen und wie diese sich mechanisch gegenseitig blockieren. Beispielsweise können Fasern oder lange Partikel eine Rolle dabei spielen, sich mit anderen Partikeln zu verklammern und deren Bewegung einzuschränken. Dies ist auch bei der Kompression von Pulvern der Fall, wo einige Partikel brechen, sich verformen und sich "um andere Partikel wickeln", wodurch die Bindung zwischen ihnen verstärkt wird.

Quelle

[Pietsch] Agglomeration Processes (Phenomena, Technologies, Equipment), Pietsch, Wiley-VCH, 2004