-
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung voluminöser Pulveraggregate
Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung von voluminösen, aber körnigen Pulverprodukten
mit Hohlräumen und großer innerer Oberfläche mit Durchschnittskorngrößen von 0,5
bis 3, vorzugsweise 0,8 bis 2 mm. Solche leichten, körnigen Produkte haben sich
zuerst in der Waschmittelindustrie durchgesetzt wegen ihrer guten Rieselfähigkeit,
guten Löslichkeit und Staubfreiheit. Auch auf anderen Gebieten sind Produkte mit
diesen Eigenschaften erwünscht.
-
Die leichten, voluminösen und grobkörnigen Feststoffe sind z. B. von
Vorteil als Substrat bei der Herstellung von Aufsprühprodukten im Wege des »Sprühmischverfahrens«,
wobei ebenfalls z. B. Waschmittel das Endprodukt sein können.
-
Voluminöse, körnige Pulverprodukte sind bisher in Heißsprtihtürmen
auf dem Wege der Sprühtrocknung hergestellt worden. Es fallen dabei vorzugsweise
hohlkugelförmige Einzelteilchen an mit Durchschnittskorngrößen, die normalerweise
zwischen 0,2 und 0,6 mm liegen, während Einzelkörner mit Durchmessern von größer
als 1,2 mm Ausnahmen sind und regelmäßig weit außerhalb des normalen Kornbandes
des betreffenden Produktes liegen. In diesem Fall handelt es sich um zufällig zustande
gekommene Aggregationen, wobei es jedoch nicht möglich ist, diese tXberkorngrößen
als Hauptfraktion zu gewinnen.
-
Weiterhin besteht die Möglichkeit, pulverförmige Grundstoffe im Wirbelbett
zu besprühen, z. B. von der Seite aus durch einen Kranz von Sprühdüsen, wobei die
Flüssigkeitströpfchen die Pulverteilchen agglomerieren und die größeren unter ihnen
dann nach unten durchfallen, wo sie gesammelt abgezogen werden können. Mit diesem
Verfahren können schon gröbere Agglomerate erhalten werden, doch haben derartige
Apparaturen gewichtige Nachteile. Um die Suspendierung in der Luft für alle Pulverteile
erreichen zu können, ist es notwendig, daß sie in Form, Größe und Raumgewicht gleich
sind, d. h., daß nur ein recht einheitliches Pulver verwendet werden kann, da andernfalls
die leichteren Körner nach oben getragen bzw. die schwereren nicht in der Schwebe
gehalten werden können. Weiterhin können nur Einstoffdüsen mit feiner Bohrung zum
Aufsprühen verwendet werden, weshalb bei der Auswahl der Flüssigkeit hinsichtlich
ihrer Viskosität sehr enge Grenzen gesetzt sind.
-
Weiterhin ist bekannt, Flüssigkeiten auf bewegte Pulveroberflächen
aufzusprühen, wofür verschiedene Mischertypen genannt worden sind Diese Mischer
arbeiten in der Regel chargenweise; es werden dabei durch Rührarm oder auch durch
die für den Aufsprühvorgang benötigte lange Aufsprühzeit durch die
ständige Bewegung
der Pulverteilchen aneinander oder an den Apparateteilen die aufgebauten Agglomerate
zum großen Teil wieder zerstört, so daß ein Produkt mit sehr breitem Kornband anfällt
bzw. die mittlere Korngröße nicht über ein gewisses Maß hinaus gesteigert werden
kann.
-
Es wurde nun ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Pulveragglomeraten
durch Aufsprühen von Flüssigkeit auf ein Bett des Pulvers auf einer rotierenden
Fläche, deren Rotationsachse gegen die Horizontale geneigt und die durch einen Überlaufring
begrenzt ist, wobei die Teilchen dieses Pulverbettes in ständiger, sich zum Teil
überstürzender Bewegung mit mehr als 0,25 m/sec gehalten werden, gefunden. Das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung voluminöser, Hohlräume aufweisender
Agglomerate die Flüssigkeit in so fein verteilter Form aufgesprüht wird, daß der
mittlere Tropfendurchmesser kleiner ist als der mittlere Korndurchmesser des Pulvers,
die Aufsprühmenge mindestens auf 40 g, besonders auf mehr als 60 g/sec m2 eingestellt
wird, wobei sich die m2-Angabe auf die vom Sprühstrahl getroffene Fläche bezieht,
und daß die Agglomerate sogleich nach Erreichen der gewünschten Größe aus der Apparatur
entfernt werden.
-
Dabei wird in besonderer Ausführung des Verfahrens so gearbeitet,
daß die größte Tiefe des Feststoffbettes kleiner als 25 cm pro Quadratmeter besprüht
Fläche ist.
-
In manchen Fällen ist es dabei zweckmäßig, daß die Apparatur, in
der das Verfahren durchgeführt wird, zur Wiederaustreibung der aufgesprühten Flüssigkeit
beheizt wird. Als geeignete Vorrichtungen zur
Durchführung des Verfahrens
haben sich rotierende Granulierteller, kreisrunde Schalen oder Zylinder erwiesen,
deren Drehachse gegen die Horizontale um einen Winkel von 1 bis 300 geneigt ist.
-
Das Aufsprühen von Flüssigkeiten auf Pulvermaterial, das auf einer
rotierenden Fläche bewegt wird, deren Rotationsachse gegen die Horizontale geneigt
ist und die durch einen Überlaufring begrenzt ist, wird nach dem Stand der Technik
an sich schon seit langem durchgeführt. Es ist das bekannte Granulieren auf einem
Granulierteller (vgl. Fig. 1). Im Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Ziel werden
bei dem bekannten Verfahren feste, kompakte, kugelförmige Granula ohne innere Zwischenräume
angestrebt. Die dabei entstehenden Granulatehaben Schüttgewichte von 1000 g/l und
mehr, während erfindungsgemäß voluminöse Aggregate mit Schüttgewichten von weniger
als 700g/l, vorzugsweise weniger als 550 g/l, hergestellt werden.
-
Man kann die rotierende, ebene Fläche durch Aufwölbung in eine rotierende
Schale (Fig. 2) verwandeln. Durch weitere Aufwölbung kommt man zu einer rotierenden
Birne (F i g. 3). Schale oder Birne werden in bekannter Weise durch einen Überlaufring
begrenzt, der auch in einer Aufbördelung des Randes bestehen kann. Während bei der
ebenen Fläche oder einer flachen Schale der Winkel, um den die Rotationsachse gegen
die Horizontale geneigt ist, in den Grenzen zwischen 25 und 500 zu liegen pflegt,
kann bei einer Birne dieser Winkel sehr klein sein. Schließlich kann noch eine rotierende
Trommel angewendet werden (F i g. 4). Die Drehachse einer solchen rotierenden, zylindrischen
Trommel ist im allgemeinen nur schwach gegen die Horizontale geneigt, wobei der
Neigungswinkel z.B. 50 beträgt. Die Neigung der Drehachse gegen die Horizontale
kann jedoch je nach den Erfordernissen auch geringer oder größer sein und bekanntlich
zwischen 1 und 300 liegen. Solche auch konisch geformte - Trommeln mit Üb erlaufring
an der unteren Trommelöflaung sind schon zum Granulieren von Feststoffen verwendet
worden, wobei es sich jedoch um die Herstellung von kompakten, kugelförmigen Granulaten
- insbesondere für die Erzaufbereitung - handelte.
-
Eine weitere Forderung besteht darin, daß sich das Pulver nicht nur
in linearer Bewegung befindet, sondern in bekannter Weise gleichzeitig eine überstürzende
Bewegung ausführt. Ob eine solche zustande kommt, hängt einerseits von der Rotationsgeschwindigkeit,
andererseits von der Rieselfähigkeit des Pulvermaterials ab.
-
Für die erfindungsgemäße Problemstellung, die nicht auf ein kompaktes
Granulat zielt, sondern auf eine voluminöse, Lufträume umschließende Agglomeration,
sind nun nachfolgend aufgeführte Maßnahmen von ausschlaggebender Bedeutung. In erster
Linie ist es wichtig, daß das Ausgangspulver feinkörnig vorliegt, daß aber die mittlere
Tropfengröße der versprühten Flüssigkeit noch niedriger liegt als die mittlere Korngröße
des Ausgangspulvers. Die mittlere Korngröße des Pulvers sollte unter 0,2 mm betragen,
und zwar sollen wenigstens 90 ovo kleiner als 0,3 mm und wenigstens 50°/0 kleiner
als 0,1 mm sein. Lediglich bei Pulvern, die nicht durch Mahlung, sondern durch Sprühtrocknung
zustande gekommen sind und bei denen die Einzelteilchen infolgedessen selbst schon
eine lockere Struktur aufweisen, können unter Umständen auch größere Korn durchmesser
zulässig
sein. Die mittlere Teilchengröße sollte aber auch hier nicht über 0,3 mm hinausgehen,
und es darf dann auch hier die mittlere Tropfengröße höchstens 0,2 mm betragen.
Je feiner die Vernebelung der Flüssigkeit ist, um so lockerer und voluminöser wird
das Endprodukt. Große Tropfen führen zu harten und kompakten Granulaten.
-
Eine weitere Voraussetzung für das Zustandekommen lockerer Aggregationen
besteht darin, daß diese, sobald sie die gewünschte Größe erreicht haben, aus der
Apparatur entfernt werden. Dauert der Aufbau der Agglomeration zu lange und werden
sie nach Erreichen der gewünschten Größe noch längere Zeit umgewälzt, dann tritt
eine fortschreitende Verdichtung ein, die unbedingt vermieden werden muß. Es ist
dabei wesentlich, daß bei feiner Vernebelung die Aufsprühgeschwindigkeit groß ist.
Bezieht man die aufgesprühte Flüssigkeitsmenge auf die Aufsprühfläche, d. h. auf
den auf der Pulveroberfläche gebildeten Sprühkreis (Sprühellipse), so muß die Aufsprühmenge
mindestens 40 g/sec zum vorzugsweise mehr als 60 g/sec m2, betragen; sie kann gegebenenfalls
bis zu 2,5 kg/sec m2 ansteigen. Je größer die lineare Geschwindigkeit des Pulvers
ist, desto größer kann die Aufsprühmenge sein, wobei auf- und abwärts sowie seitlich
gerichtete Bewegungskomponenten noch zusätzlich vorhanden sein sollten. Finden zwischen
Flüssigkeit und Pulver exotherme Reaktionen statt, z. B. eine Hydratbildung, dann
kann dadurch die Aufsprühmenge begrenzt sein, d. h., sie liegt näher der unteren
Grenze.
-
Die Absolutmenge der in der Zeiteinheit aufsprühbaren Flüssigkeitsmenge
ist auch eine Funktion der Größe der Aufsprühfläche, und es sollte diese im Verhältnis
zur Gesamtmenge des in der Apparatur umlaufenden Materials möglichst groß sein.
Bezieht man die Aufsprühfläche auf die größte Tiefe des Feststoffbettes, so sollte
die größte Tiefe des Feststoffbettes kleiner sein als 25 cm pro Quadratmeter besprühte
Fläche. Wenn bereits gebildete Agglomerate immer wieder durch ein tiefes Feststoffbett
von unten nach oben hindurchwandern müssen, werden sie leichter wieder zerstört,
als wenn sich die gesamten Bewegungen und Kornaufbauvorgänge an oder in der Nähe
der Oberfläche vollziehen. Das Aufsprühen muß dabei gleichmäßig und kontinuierlich
erfolgen, um einen gleichmäßigen Kornaufbau zu gewährleisten.
-
Bei erfindungsgemäßer Arbeitsweise fällt mehr als die Hälfte, meist
mehr als zwei Drittel des Produkts im gewünschten Korngrößenbereich 0,5 bis 3, vorzugsweise
0,75 bis 2 mm an.
-
Nach Einstellen des stationären Zustandes wird die Überlaufmenge
(z.B. in Gramm Überlauf pro Sekunde) bestimmt durch die Menge des Pulverzulaufes
in der Zeiteinheit und die Aufsprühmenge.
-
Bei konstanter Pulverzulaufgeschwindigkeit muß die Aufsprühmenge so
eingestellt werden, daß das überlaufende Produkt gerade in dem gewünschten Korngrößenbereich
liegt. Wird die Pulverzulaufmenge zu niedrig gehalten, dann muß auch die Aufsprühmenge
niedrig sein, wenn der Korngrößenbereich eingehalten werden soll; dann laufen aber
die gebildeten Agglomerate verhältnismäßig lange im Apparat um und werden stärker
verdichtet. Um mit der nötigen hohen Aufsprühmenge arbeiten zu können, ist infolgedessen
auch eine entsprechend hohe Pulverzulaufmenge Voraussetzung, die in der Regel über
60 g/sec m2 besprühte Fläche liegen soll.
-
Die Umdrehungsgeschwindigkeit ist je nach Art und Abmessung der Apparatur
verschieden; sie liegt in der Regel zwischen vier und 25 Umdrehungen pro Minute.
Eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit bringt die erwünschte hohe lineare Materialgeschwindigkeit.
Sie darf aber nicht zu hoch sein, um noch das Zustandekommen der überstürzenden
Bewegung zu ermöglichen, die nicht nur für die Korngrößenklassierung, sondern auch
für die Ausbildung einer sich ständig erneuernden Materialoberfläche notwendig ist.
Neigung der Rotationsachse und Umdrehungsgeschwindigkeit sollen zueinander in einem
bestimmten optimalen Verhältnis stehen. Bei der ebenen Fläche (Granulierteller)
erlaubt ein niedriger Achsenwinkel (steile Stellung des Tellers) eine raschere Rotation;
bei der rotierenden, zylindrischen Trommel erlaubt ein verhältnismäßig hoher Achsen
winkel (starke Schrägstellung) ebenfalls eine rasche Rotation. Bei der rotierenden,
zylindrischen Trommel sollte die Höhe des Überlaufringes im Verhältnis zur Zylinderlänge
und zur Neigung der Zylinderachse so gewählt sein, daß sich das Pulverbett bis zum
oberen Ende des Zylinders erstreckt, wobei die zur Verfügung stehende Aufsprühfläche
möglichst groß ist.
-
Bei der zylindrischen Besprühungstrommel sollte der Durchmesser verhältnismäßig
groß sein im Verhältnis zu der Länge des Besprühungsteils, d. h. des zylindrischen
Teils des Gesamtapparats, der zum Aufsprühen der Flüssigkeit dient. Im Fall der
Fig. 4 ist dies praktisch der gesamte Apparat. Bei großem Durchmesser ist auch bei
niedrigem Überlaufring, d. h. niedriger Schichthöhe des Pulvermaterials, die Aufsprühfläche
groß. Damit die Sprühellipse - beim Aufsprühen von außen - dann nicht zu langgestreckt
wird und damit die Aufsprühdichte in der Nah- und Fernzone nicht zu unterschiedlich,
liegt zweckmäßigerweise die Länge der Trommel im Verhältnis zum Durchmesser in den
Grenzen 1,5 : 1 bis 1: 1. Dies gilt auch dann, wenn die Trommel konisch geformt
ist, d. h. sich zum Überlaufring hin etwas erweitert.
-
Die Breite des Überlaufringes der Trommel sollte im Verhältnis zum
Durchmesser nicht zu groß sein.
-
Sie beträgt im allgemeinen ein Zehntel bis ein Viertel, vorzugsweise
ein Achtel bis ein Fünftel des Durchmessers. Ein breiter Überlaufring vergrößert
zwar die Aufsprühfläche, aber auch die Tiefe des Feststoffbettes. Für die Besprühung
können Einstoff- wie auch Zweistoff-(Luftdruck-)Düsen verwendet werden.
-
Beim Besprühen auf einen rotierenden Teller ist man im allgemeinen
auf die Einstoff-(Flüssigkeitsdruck-) Düse angewiesen, da bei der Zweistoffdüse
die Luftbewegung so stark ist, daß - insbesondere leichtes -Pulvermaterial teilweise
vom Teller geblasen wird.
-
Dies ist einer der Gründe, weshalb erfindungsgemäß im allgemeinen
die rotierende Trommel vorgezogen wird, da es hier leichter möglich ist, eine geordnete
Luftabführung mit Staubrückgewinnung anzubringen.
-
Die Zweistoffdüse hat den Vorteil der geringeren Verstopfungsgefahr
bei feinerer Verdüsung.
-
Für viele Anwendungszwecke kann die Apparatur zur Wiederaustreibung
der aufgesprühten Flüssigkeit beheizt werden. Dies läßt sich in der rotierenden
Trommel neben der Bedüsung besonders leicht durchführen. Für die Beheizung ist vorzugsweise
ein außerhalb des Zylinders angeordneter bzw. nur wenig in den Zylinder hineinragender
Gas- oder Ölbrenner vorgesehen. Die Sprühdüse befindet sich vorzugsweise außerhalb
des Zylinders oder ragt nur wenig in diesen
hinein und ist zweckmäßigerweise seitlich
abwärts gegen die Pulveroberfläche gerichtet und so angeordnet, daß der Sprühstrahl
im wesentlichen die gesamte Pulveroberfläche bestreicht. Von dieser bevorzugten
Apparatur, nämlich der zylindrischen Drehtrommel mit Überlaufring, werden nachfolgend
zwei Ausführungsformen beschrieben.
-
Fig. 5 zeigt das Schema einer geeigneten Drehtrommel. Bei a wird
das Pulvermaterial dem hinteren Teil eines zylindrischen, rotierenden Drehrohres
kontinuieriich zugeführt. Dieser hintere Teil, der auch verjüngt sein kann, enthält
an der zylindrischen inneren Mantelfläche fest montierte, bekannte Mischorgane,
die dafür sorgen, daß die zunächst noch mangelhaft gemischten Pulverkomponenten
zu einer homogenen Pulvermischung verarbeitet werden. Dies kann z. B. durchEinbauschaufeln
geschehen oder durch eine nach rückwärts arbeitende Transportschraube b, über die
gleichzeitig das Material am Boden des Rohres hinweggleitet. Das gemischte Gut gelangt
dann in den Besprühungsteil der Apparatur, der an der Austragseite durch den Überlaufring
c begrenzt ist. Mit Hilfe der Sprühdüse d wird die Flüssigkeit so aufgesprüht, daß
der Sprühkegel möglichst die gesamte Pulveroberfläche bestreicht. Das agglomerierte
Produkt fällt dann durch die Löcher der Austragkammere aus. Die Ableitungf führt
über den Ventilator zum Zyklon, in dem die mitgerissenen Feststoffanteile abgeschieden
werden. Sofern Reaktionswärme abgeführt werden muß, kann eine Wasserkühlung g angebracht
werden.
-
Diese Anordnung eignet sich zur Herstellung von Sprühmisch- und Aufsprühprodukten,
bei denen es auf leichtes Schüttgewicht, körniges Gefüge, rasche Löslichkeit und
Staubfreiheit ankommt, wie z. B. bei Wasch-, Reinigungs-, Einweich- und Spülmitteln.
-
Hierzu wird auf ein Bett von Gerüststoffen in feiner Pulverform, denen
bereits Tenside oder andere feste Waschmittelbestandteile zugemischt sein können,
eine Flüssigkeit aufgedüst. Diese kann z. B. aus einer Alkalisilikatlösung, der
Lösung eines Tensids oder anderer Waschmittelbestandteile bestehen; man kann aber
auch ein an sich flüssiges oder durch Erwärmen verflüssigtes Tensid aufsprühen.
Weiterhin können Reaktionen - z. B. durch Aufsprühen einer Säure auf ein Carbonat
- in diesem Apparat ausgeführt werden.
-
F i g. 6 zeigt ein Schema für ein Aufsprühdrehrohr mit Erhitzungseinrichtung.
Es besteht aus einem zylindrischen und einem konischen Teil. Im zylindrischen Teil
befindet sich die Aufsprühvorrichtung h sowie die Erhitzungseinrichtung - im vorliegenden
Falle ein Gasbrenner i. Durch die Sprühdüse h wird eine konzentrierte, wäßrige Lösung
eines Mineralsalzes auf ein im zylindrischen Teil des Drehrohres umlaufendes Pulver
k, das aus demselben Mineralsalz in trockener Form besteht, aufgesprüht. Unter der
Hitze des Brenners wird das Lösungswasser verflüchtigt. Dlas Salz läuft dann weiter
über den Überlaufring I durch den konischen Teil m, in dem eine Nachtrocknung stattfindet.
Es wird dabei eine voluminöse, rasch lösliche und staubfreie Form des Mineralsalzes
erhalten.
-
Diese Apparatur eignet sich z. B. zur Herstellung von Phosphaten.
Man sprüht hierzu die Lösung eines Phosphats - Orthophosphat oder kondensiertes
Phosphat - auf ein aus feinem Phosphatpulver gebildetes Bett, wobei voluminöse Aggregate
entstehen.
-
Durch die gleichzeitige Erhitzung wird das Lösungswasser und gegebenenfalls
Konstitutionswasser ausgetrieben. Das als Lösung aufgesprühte Phosphat kann die
gleiche oder eine andere Zusammensetzung haben als das in Pulverform vorgelegte
Phosphat.
-
Wenn es sich bei dem Ausgangsgut um ein Salz handelt, das mit der
Flüssigkeit unter Hitzeeinwirkung reagiert, dann muß es in trockener Form getrennt
und kontinuierlich in den zylindrischen Teil des Apparats eingeführt werden. Auf
diese Weise können z B. aus Soda bzw, Calciumcarbonat und Phosphorsäure Natrium-
bzw. Calciumphosphate hergestellt werden.
-
In manchen Fällen kann es von Vorteil sein, durch die Flamme hindurch
zu versprühen, um dabei einen Teil der Lösung noch vor Erreichen des Feststoffbettes
in lein leichtes Pulver zu verwandeln. Im allgemeinen ist es jedoch vorzuziehen,
neben oder unterhalb der Flamme aufzudüsen, um die gleichmäßige Aggregation der
Einzelteilchen nicht zu stören.
-
An sich ist es grundsätzlich möglich, Brenner und Sprühdüse ins Innere
der Drehtrommel zu verlegen.
-
So ist bekannt, durch im Innern eines Drehrohrofens senkrecht zur
Achse brennende Flammen hindurch eine Orthophosphatlösung auf im Drehrohr umlaufendes
Natriumtriphosphat aufzusprühen, um dabei das Orthophosphat zu calcinieren und in
Triphosphat zu überführen. Es wurden aber keine voluminösen Aggregationen erhalten.
Es wird jedoch diesseitig als wesentlicher technischer Nachteil angesehen, Brenner
und Düse ins Innere der Trommel zu verlegen, und zwar einerseits wegen der Verkrustung
und Verstopfungsgefahr und andererseits wegen der schlechten Zugänglichkeit. Es
wurde vielmehr gefunden, daß das Aufsprühen wie auch das Heizen mit Vorteil von
außerhalb der Trommel geschieht, d. h., daß Düse und Brenner sich außerhalb der
Trommel befinden oder nur wenig hineinragen, so daß die Reinigung oder gegebenenfalls
Auswechselung leicht von außen erfolgen kann. Durch das tangentiale Aufsprühen von
außen ist es möglich, eine große Fläche (Sprühellipse) zu bedüsen, die Beheizung
von außen in Richtung der Trommelachse vermeidet örtliche Uberhitzungen. Die geschlossene
Form der Trommel eignet sich besonders dann, wenn gleichzeitig ein Erhitzungsvorgang
durchgeführt wer den soll, ebenso, wenn das Aufsprühen mit der Luftdruckdüse erfolgen
soll, da die Trommel eine besonders günstige Luftabführung mit Abtrennung mit gerissenen
Feinmaterials erlaubt. Zum Aufsprühen mit der Einstoffdüse eignet sich jedoch auch
die als Granulierteller bekannte rotierende Fläche.