Optimierte Verfahren zur Gewinnung von Schuppen,
Pastillen und Prills
Alexander Kuppe
Die Verfestigung von Schmelzen kann auf viele Arten und in vielen Formen erfolgen. Der Trend geht jedoch immer stärker weg von einer einfachen Verfestigung mit nachfolgenden Konfektionierungsschritten, hin zu einer Art Konfektionierung direkt aus der flüssigen Phase in die gewünschte Endform.
In vielen Prozessen der Chemie und der Pharmazie fällt das Endprodukt flüssig an. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Produkte in eine handhabbare und feste Form zu bringen. Bis zur letztlich gewünschten Endform folgte in der Vergangenheit oftmals eine ganze Reihe weiterer Prozessschritte. Durch neue Technologien ist es mittlerweile möglich, selbst schwierig zu verarbeitende Produkte direkt aus der Schmelze in die gewünschte Endform zu bringen. Nachfolgende Verfahrensschritte und Anlagen vereinfachen sich somit. Hinzu kommt ein weiterer Trend, dass durch steigende Auflagen hinsichtlich Arbeitsschutz, Emissionen und Umwelt die Anforderungen an die Prozesse und Anlagen ebenfalls steigen. Vermeidung von Abgasen, Abwässern und Schutz der Mitarbeiter stehen dabei im Vordergrund.
Die Wahl des in jeder Hinsicht am besten geeigneten Verfahrens erfolgt schließlich unter Abwägung der technischen und wirtschaftlichen Aspekte für jedes Produkt.
Schuppen, Pastillen oder Prills?
Welche Produktform die sinnvollste ist bestimmen zumeist die nachfolgenden Verarbeitungsschritte, die Anwendungen oder auch die Anforderungen der Abnehmer. Dabei sind verstärkt Staubfreiheit, gute Rieselfähigkeit, genaue Dosierbarkeit und hohe Schüttdichte gefordert. Drei kommerziell eingesetzte Verfahren zum kontinuierlichen Erstarren von Schmelzen decken dabei ein weites Spektrum der gewünschten Produktformen ab, das Schuppen mit der Kühlwalze, das Pastillieren und das Prillen.
Schuppen mit der Kühlwalze Seit über 80 Jahren werden Kühlwalzen zur Verschuppung von Schmelzen eingesetzt. Abbildung 1 veranschaulicht das Prinzip. Die heiße Schmelze wird in eine beheizte Wanne zugeführt. Eine innenseitig mit Wasser oder Sole gekühlte Walze dreht durch das heiße Schmelzebad und eine Schicht Produkt bleibt an der Walze haften. Während der weiteren Umdrehung der Walze erstarrt die Produktschicht komplett und kühlt auf die gewünschte Endtemperatur ab. Ein anliegendes Messer schabt die Schicht ab, die in relativ gleichmäßige Schuppen zerspringt.
Abb. 1 Flussdiagramm einer Kühlwalze (Eintauchverfahren)
Zu diesem Tauchwannenverfahren, das zu ca. 80% eingesetzt wird, gibt es verschiedene Varianten, beispielsweise die Ausführung mit obenliegender Auftragswalze für hochviskose Produkte oder mit Doppelwalze für Suspensionen.
Die Vorteile des Verfahrens, damals wie heute, sind zum einen die hohe Zuverlässigkeit und Robustheit, bedingt durch die Einfachheit des Prozesses. Hinzu kommt eine sehr hohe Effizienz, da nahezu die gesamte gekühlte Fläche zur Wärmeübertragung genutzt wird. Und letzten Endes ist die Maschine sehr kompakt, leicht zu kapseln und dazu geeignet, auch oxidationsempfindliche, hygroskopische und giftige Produkte zu verarbeiten. Typische Produkte für die Verschuppung mit einer Kühlwalze sind Caprolactam, Phtalsäureanhydrid und Detergenzien. Im Prinzip können alle Produkte mit einem Erstarrungspunkt von etwa -15 °C bis +400 °C und mit Viskositäten von unter 1 mPas bis etwa 100 000 mPas verarbeitet werden.
Pastillieren mit dem Pastillierteller
Hier wird die Schmelze mittels eines beheizten Dosiersystems über eine Düsenplatte auf einen drehenden Teller getropft. Während einer Umdrehung des Tellers erstarren die Tropfen, kühlen auf die gewünschte Endtemperatur ab und werden anschließend von einem Messer heruntergeschoben.
Die Vorteile von Pastillen gegenüber Schuppen äußern sich:
in besserem Fließverhalten und leichterer Dosierbarkeit,
in der Regel einer etwas höheren Schüttdichte,
weniger Staub und,
auch bei längerer Lagerung, in einer geringeren Neigung zur Agglomeration/Verbackung
Diese Vorteile zeigen sich umso stärker, je kugelförmiger, das heißt, je höher die Pastille bezogen auf ihren Durchmesser ist. Der hierfür wichtigste Parameter ist die Oberflächenspannung, zum einen vom Produkt selbst, zum anderen von der Kühlfläche. Produkte mit einer niedrigen Oberflächenspannung können auf einer Edelstahlfläche zu dünnen Plättchen zerlaufen und ergeben nicht das gewünschte stabile Endprodukt. Beim Pastillierteller besteht die Möglichkeit, die Teller zu beschichten, beispielsweise mit PTFE, und somit die Oberflächenspannung zu verändern. Dadurch wird der Wärmeübergang kaum beeinflusst, aber die Pastillenform verbessert sich deutlich und die Pastillen sind auch leichter vom Teller zu entfernen.
Der Pastillierteller ist wie die Kühlwalze sehr kompakt gebaut (Abb. 2). Durch den modularen Aufbau können auf der gleichen Grundfläche bis zu sechs Teller übereinander angeordnet werden, entweder direkt oder später nach Bedarf.
Abb. 2 Pastillierteller
Die verarbeitbaren Produkte können Viskositäten von unter 1 bis zu 40 000 mPas und Schmelztemperaturen von etwa 25 bis 200 °C aufweisen.
Typische Produkte sind Maleinsäureanhydrid, Fettsäuren und alle giftigen, oxidationsempfindlichen und/oder hygroskopischen Schmelzen.
Prillen mit dem Jet-Priller
Prills sind komplett rund und in der Regel kleiner als Pastillen. Eine seit langen Jahren im Einsatz befindliche Technologie zur Herstellung von Prills sind Prilltürme, die die erzeugten Schmelzetropfen im Gegenstrom zu einem Kühlgas über eine längere Strecke abkühlen und verfestigen. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen in den großen baulichen Abmessungen der Anlagen sowie in den großen durchzusetzenden Gasmengen zur Kühlung. Kürzlich wurde jedoch ein Verfahren entwickelt, das es gestattet, diese Produktform auch auf engstem Raum in einem Gebäude herzustellen (Abb. 3).
Abb. 3 Das Closed-Loop-System ermöglicht die Konstruktion kompakterer Prill-Anlagen
Das Jet-Prill-Verfahren kann modellhaft in drei Stufen eingeteilt werden. In der ersten Stufe wird über das Prinzip der Resonanzdüse der Produktstrahl in uniforme Tropfen zerteilt, wobei, abhängig vom Produkt, ein nahezu monodisperses Tropfenspektrum erreicht werden kann. Man nutzt hierbei die Eigenschaft von Flüssigkeitsstrahlen, in einem labilen Gleichgewicht zu stehen.
In der zweiten Stufe fallen die erzeugten Tropfen in ein kurzes Fallrohr und werden durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff stabilisiert, das heißt, es wird sehr schnell eine harte Schale gebildet. Der Einsatz von flüssigem Stickstoff sorgt bei der Stabilisation der Tropfen für eine große Temperaturdifferenz und einen hohen Wärmeübergang durch Verdampfung. Dies ermöglicht es, diese Stufe des Prozesses sehr kompakt auszuführen.
Der gasförmige Stickstoff fällt zusammen mit den stabilisierten Prills aus dem Fallrohr in einen Wirbelschichtkühler. In dieser dritten Stufe werden die vorverfestigten Prills bis auf den Kern verfestigt und auf die gewünschte Abwurftemperatur gebracht. Als Prozessgas kann der ohnehin vorhandene gasförmige Stickstoff verwendet werden, der aus den Fallrohren kommt. Mittels eines Ventilators und eines Zwischenkühlers wird der Stickstoff im Kreis geführt, wodurch ein vollständig inerter und gekapselter Prozess entsteht.
Ein entscheidender Faktor für die wirtschaftliche Nutzung der Anlage ist die Optimierung des Verbrauchs an flüssigem Stickstoff, der durch geeignete Isolationen und Strömungsverhältnisse minimiert wird.
Modular gebaut
Die Anlage ist modular aufgebaut, das heißt, es können auf eine gewählte Wirbelschichtgröße verschiedene Fallrohre (Prillkolonnen) aufgesetzt werden. Abbildung 4 zeigt eine Variante mit zwei Modulen, die auch als Technikumsanlage verfügbar ist. Je nach Bedarf kann diese Anzahl erweitert werden, bis die zur Wirbelschichtgröße maximal zulässige Anzahl erreicht ist.
Die Vorteile von Prills gegenüber Pastillen liegen in den nochmals verbesserten Fließ- und Dosiereigenschaften. Der Staubanteil liegt in etwa in der gleichen Größenordnung, jedoch kann die gewünschte Tropfengröße zwischen Durchmessern von 300 m bis 1,5 mm gewählt werden. Die Schüttdichte kann gegenüber Pastillen und abhängig vom Produkt nochmals um bis zu 10% ansteigen, bezogen auf Pastillen.
Der Viskositätsbereich der verarbeitbaren Produkte reicht von unter 1 bis zu 250 mPas, wobei der Erstarrungspunkt nicht über 250 °C liegen sollte. E cav 260
