Das Einsatzfeld von Wirbelschichtapparaten umfasst sowohl Wärme- und Stoffübertragungsprozesse, wie beispielsweise Kühlung, Trocknung und Kalzinierung, als auch komplexe Mehrphasenprozesse wie die Agglomeration von Pulvern, die Sprühgranulation aus der Flüssigphase und dem Coating (Beschichten von Teilchen). Eine Wirbelschicht bildet sich, wenn ein körniges Schüttgut von einem gasförmigen Fluidisierungsmittel (dabei handelt es sich in der Regel um Luft) durchströmt wird. Je nach der Strömungsgeschwindigkeit dieses Gases gibt es unterschiedliche Prozesszustände.
Den Ausgangspunkt bildet die Durchströmung eines Festbettes, das heißt einer unbewegten Füllung aus Partikeln, durch ein gasförmiges Medium. Bei einer weiteren Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, wird ein Punkt erreicht, bei dem eine leichte Bewegung der Teilchen einsetzt und sich die Materialfüllung bis zu einer Schichthöhe Lmf leicht auflockert. Dieser Punkt wird als Wirbel- oder auch als Lockerungspunkt bezeichnet und stellt den Beginn des so genannten Wirbelzustandes dar. Bei einer weiteren Erhöhung der Gasgeschwindigkeit erhöht sich die Intensität der Partikelbewegung. Die über den Luftbedarf am Wirbelpunkt hinausgehende Luftmenge durchströmt die Wirbelschicht in Form von aufsteigenden Gasblasen. Diese bewirken eine intensive Bewegung der Partikel in der Wirbelschicht. Die Wirbelschicht expandiert durch die Gasblasen dabei bis zu einer Schichthöhe Lf. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmittels wird durch die so genannte Austragsgeschwindigkeit bestimmt, bei der die Partikel analog der pneumatischen Förderung aus dem Wirbelschichtapparat ausgetragen werden.
Eine sehr häufig in Wirbelschichtanlagen angewandte Prozessvariante der konvektiven Trocknung stellt die Sprühgranulation ausgehend von einer feststoffhaltigen Flüssigkeit dar. Mit diesem Verfahren werden kompakte Granulate durch Einsprühen feststoffhaltiger Flüssigkeiten in eine Wirbelschicht, Verdampfung des Lösungsmittels (z.B. Wasser) sowie daraus folgendem Partikelwachstum gebildet. Dieser Vorgang wird häufig auch als Aufbaugranulation bezeichnet.
Bei Sprühgranulationsprozessen wird die feststoffhaltige Flüssigkeit durch Sprühdüsen gleichmäßig auf Partikel geringerer Größe aufgesprüht. Diese kleineren Partikel bezeichnet man als Granulationskeime. Sie bestehen in der Regel aus dem gleichen Material wie der über die Flüssigphase aufgesprühte Feststoff. Sie können beispielsweise durch Sprühtrocknungsprozesse, Abrieb oder Zerfallen von Granulaten gebildet werden.
Das Lösungsmittel verdampft auf der Oberfläche der Teilchen und der verbleibende Feststoff lagert sich gleichmäßig dicht auf der Partikeloberfläche ab. Durch diesen Mechanismus nimmt der Partikeldurchmesser mit andauernder Prozesszeit stetig zu und es werden kompakte Teilchen mit sehr homogener Struktur erzeugt.
Wirbelschichtapparate lassen sich im Allgemeinen durch einen sich prinzipiell gleichartigen Grundaufbau charakterisieren. Der Prozessraum nimmt die eigentliche Wirbelschicht auf und ist an seiner Unterseite durch einen porösen oder perforierten Anströmboden begrenzt. Dieser Anströmboden verhindert einerseits das Durchfallen von Wirbelschichtmaterial in darunterliegende Apparatebereiche, andererseits dient er zur definierten Verteilung des Fluidisierungsmediums über den Querschnitt des Prozessraumes. An seiner Oberseite ist der Prozessraum im einfachsten Fall geschlossen und das Fluidisierungsmittel wird oben herausgeführt und bei Bedarf nachfolgend in einem externen Staubabscheider gereinigt. Alternativ zur externen Entstaubung können Filtersysteme oberhalb des Prozessraumes montiert sein, die das Fluidisierungsmittel vor dem Verlassen des Wirbelschichtapparates entstauben.
Zur Durchführung von kontinuierlichen Prozessen sind eine ständige Rohstoffzufuhr und ein ununterbrochener Produktaustrag erforderlich, sodass für derartige Anwendungen spezielle Apparate entwickelt wurden.
Als ein Praxisbeispiel für einen kontinuierlich betriebenen Wirbelschichtapparat wird in diesem Beitrag die Glatt-Anlage vom Typ AGT näher betrachtet. Dieser Apparatetyp zeichnet sich durch ein spezielles Austragssystem zur staubfreien kontinuierlichen Ausschleusung von Granulaten aus. Dazu wurde ein so genanntes Austragsrohr zentral im Anströmboden angeordnet. Dieses Rohr wird mit einer einstellbaren Gasströmung in die Wirbelschicht hinein beaufschlagt, die bewirkt, dass ausschließlich Partikel mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Austragsrohr, in dieses gelangen und den Apparat verlassen können. Auf diese Weise wird ein Trenneffekt erzeugt und somit ein stets staubfreies Granulat mit der erwünschten Größe ausgetragen.
Bei der technischen Realisierung derartiger Apparate werden während der Projektbearbeitung unter anderem verschiedene numerische Simulationsmethoden verwendet.
Copyright: Glatt
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