Walscompactoren: basisprincipes en technologisch overzicht

Walspersen worden gebruikt voor het verwerken van bulkvaststoffen (poeders, korrels) om een droge granulatie via compactie uit te voeren. Ze produceren doorgaans een gecompacteerd materiaalblad dat later gemalen wordt, hoewel sommige modellen specifieke walsen hebben waarvan de vorm het mogelijk maakt om briketten te produceren. Deze pagina richt zich op het ontwerp van walspersen, de mechanismen achter de agglomeratie van het materiaal dat door een walscompactor gaat, en de verschillende toepassingen van deze technologie.

1. Wat is een walscompactor voor compactie?

Walscompactoren gebruikt voor de compactie van poeders maken allemaal gebruik van tegen elkaar in draaiende walsen, die in positie worden gehouden door een mechanisch of hydraulisch systeem dat doorgaans druk uitoefent op een van de cilinders, de zogenaamde "drijvende wals".

Het materiaal wordt tussen de 2 walsen gevoerd om gecompacteerd te worden. De compactie kan plaatsvinden tussen 2 gladde walsen, waarbij een film of band/blad van gecompacteerd materiaal wordt geproduceerd. De walsen kunnen echter ook een specifieke vorm hebben die het mogelijk maakt om stukken gecompacteerd poeder te produceren.

Als een band van samengeperst materiaal wordt geproduceerd, wordt dit vaak daarna gemalen om een gekorreld product te verkrijgen dat verkocht of verder verwerkt kan worden (bijvoorbeeld om tabletten te produceren in een tabletpers), daarom wordt de machine vaak een walspers-granulator genoemd.

2. Hoe blijft het poeder aan elkaar plakken bij passage door een pers?

Wanneer het poeder tussen de 2 walsen komt, wordt het blootgesteld aan de druk van de walsen, wat leidt tot een droge agglomeratie van het materiaal. Deze droge granulatie wordt mogelijk gemaakt door verschillende mechanismen die, op deeltjesniveau, ervoor zorgen dat het materiaal bij elkaar blijft:

• Vorming van vaste bruggen tussen deeltjes door
• Chemische reactie
• Smelten of sinteren
• Adsorptielagen
• Niet-valente associaties
• Moleculaire, elektrische, magnetische krachten tussen deeltjes (bijvoorbeeld Van der Waals-krachten)
• Verstrengeling

Net als bij vergelijkbare compactieprocessen (zoals tabletpersen), wordt het poeder eerst herschikt, verdicht, vervolgens afgebroken en vervormd door de druk. Het intieme contact dat ontstaat door deze compressie maakt het mogelijk dat bindingen tussen deeltjes ontstaan. Na compressie zet het materiaal meestal iets uit. Onderstaande grafiek illustreert deze veranderingen in de poederstructuur afhankelijk van de druk waaraan het wordt blootgesteld tijdens het compactieproces.

Grafiek 1: De mechanismen van drukagglomeratie met de verschillende bereikte fasen en hun impact op het materiaal [Pietsch]

3. Werkingsprincipe van compactie-walspersen?

De compressie van poeder verloopt volgens de volgende stappen [Pietsch]:

• Poedervoeding, verdichting en gedwongen aanvoer naar de walsen: het bulk materiaal dat gecompacteerd moet worden, wordt naar de pers gebracht met behulp van een poederhandlingsysteem (bijvoorbeeld via pneumatische transport, of eenvoudige zwaartekrachtvoeding) en vervolgens in een trechter gebracht die direct boven de walsen is aangesloten. Deze trechter is vaak uitgerust met één of meerdere schroefvoeders die ervoor zorgen dat het materiaal gedwongen tussen de walsen wordt gevoerd. De schroeven maken het mogelijk druk op te bouwen, het materiaal te verdichten en de voeding naar de walsen te verbeteren.

Figuur 2: Gedwongen voeding van poeder naar het nip-gebied met een schroefvoeder

• Poederontluchting: terwijl het poeder verdicht wordt, neemt de porositeit af, wat betekent dat er minder ruimte voor lucht is. Lucht moet daarom ontsnappen uit het poeder tijdens de eerste verdichtingsstappen, net boven de 2 walsen. Als de ontluchting niet correct verloopt, kan dit leiden tot ernstige kwaliteitsdefecten na compressie, aangezien lucht na passage door de opening tussen de 2 cilinders plotseling kan uitzetten en het agglomeraat kan breken.
• Compressie: de tegenovergestelde rotatie van de walsen zorgt ervoor dat het materiaal naar het centrale gebied tussen de 2 walsen wordt getrokken, verdicht wordt en uiteindelijk in het nip-gebied komt, waar de daadwerkelijke compressie begint. Een nip-hoek helpt bij het definiëren van dit gebied. Bij passage door het nip-gebied gaat het materiaal uiteindelijk door het gebied tussen de 2 cilinders, waar het blootgesteld wordt aan een zeer hoge druk. Deze zeer hoge druk zorgt ervoor dat het poeder voldoende gecompacteerd wordt om te agglomereren.
• Afvoer: het gebied met hoge druk tussen de 2 cilinders is eigenlijk vrij klein; direct na compactie wordt het materiaal dus door de tegenovergesteld draaiende walsen weggeduwd. Direct na afvoer wordt een vergroting van het gecompacteerde materiaalblad waargenomen.

4. Toepassingen van compactie-walspersen

• Farmaceutica (meestal speciale hygiënische ontwerpen)
• Chemicaliën / Meststoffen / Detergentia
• Natriumcarbonaat, natriumchloride, natriumsulfaat, natriumnitraat, ammoniumchloride, ijzersulfaat, calciumchloride, gieterijadditieven
• natriumsulfaat, natriumchloride, carbonaten, natriumcyanide, kaliumcyanide, ijzersulfaat, kaliumbromide, boorzuur, ureum (voor brikettering)
• PK, NPK, kaliumchloride, kaliumsulfaat, ammoniumsulfaat, kaliumnitraat, fosfaat, kaliumslak
• Staal
• Draaafval
• Afvalmaterialen of bijproducten
• Mijnbouw, erts- en mineralenindustrie
• uraanoxide, chroomoxide, ijzeroxide, zinkoxide
• kalk, dolomiet, magnesia
• Nikkelertstof
• alumina, bauxiet, kalk, dolomiet, gips, china klei, magnesia, fluorspaat, verfpigmenten, zwavel (voor briquetteren)
• Metaaloxiden (Waelz-oxiden), zeldzame aarde-oxiden, zirkoniumhydroxide, ferrolegeringen, molybdeentrioxide, zirkonzand (voor briquetteren)
• Steenkool
• Katalysatoren
• Polymeren
• Gedroogd rioolslib

5. Fabrikanten van walspersen voor compactie

Walspersen variëren van kleine machines voor farmaceutische toepassingen tot zeer zware systemen voor de chemische industrie, meststoffen- en mijnbouwsector. Het is daarom essentieel om producten te selecteren van een bedrijf met een sterke en bewezen ervaring, zodat betrouwbare, hoogpresterende en onderhoudsvriendelijke machines kunnen worden geleverd. Onder deze bedrijven kan Sahut-Conreur (sahutconreur.com) worden genoemd.

Bron

[Pietsch] Agglomeratietechnieken (Fenomenen, Technologieën, Apparatuur), Pietsch, Wiley-VCH, 2004