Partikelagglomeration - Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik

430 

7 Agglomeration 431 

7.1 Festigkeit der Agglomerate ........................................................ 432 

7.2 Aufbauagglomeration ................................................................. 433 

7.2.1 Prozessgrundlagen .............................................................. 433 

7.2.2 Pelletierausrüstungen .......................................................... 436 

7.2.2.1 Pelletierteller ................................................................... 437 

7.2.2.2 Pelletiertrommeln ........................................................... 438 

7.2.3 Pellethärtung ....................................................................... 439 

7.3 Pressagglomeration (Brikettieren, Tablettieren) ........................ 440 

7.3.1 Kompressibilität und Verpressbarkeit ................................ 441 

7.3.1.1 Mikroprozesse ................................................................ 441 

7.3.1.2 Kompressibilität der Stoffe ............................................. 442 

7.3.2 Ausrüstungen für die Pressagglomeration .......................... 449 

7.3.2.1 Stempel- und Tablettenpressen ....................................... 449 

7.3.2.2 Strang- und Lochpressen ................................................ 450 

7.3.2.3 Walzenpressen ................................................................ 452 

7.4 Schwerpunkte und Kompetenzen ............................................... 454 

MVT_e_7neu.doc Mechanische Verfahrenstechnik - Partikeltechnologie Agglomeration Prof. Dr. J. Tomas, 

21.03.2011

7 Agglomeration 

431 

Das Agglomerieren stellt die Umkehrung des Zerteilens dar, d.h., es werden 

aus feineren Partikeln durch das Wirksamwerden von Bindekräften gröbere 

erzeugt. Durch die Agglomeration insbesondere von kohäsiven bis sehr kohäsiven, 

feinkörnigen Pulvern und/oder verhärtenden Schüttgütern werden 

folgende Prozessziele angestrebt /8.1/, /8.2/: 

• besseres Fließ-, Transport- und Dosierverhalten (z.B. Nahrungsmittel, 

Instant-Trinkpulver, Waschmittel, u.ä.), 

• gute Riesel- und Streufähigkeit (z. B. bei Düngemitteln), 

• Staubfreiheit (z. B. bei Waschmitteln oder Düngemitteln), 

• bessere Permeabilität (Durchströmbarkeit) (z. B. Möller der Roheisenerzeugung), 

• Vermeiden von Entmischungen (z. B. bei Futtermitteln). 

• Bei Instantieren von Nahrungs- und Genussmitteln sollen die Eigenschaften 

pulverförmiger Stoffe so verändert werden, dass sie sich in 

Flüssigkeiten schneller dispergieren und/oder lösen lassen /8.3/. 

Einführung: Folie 7.1, 

Verhärtende Schüttguter: Folie 7.2, 

Fließfähige Produkte durch Pressagglomeration: Folie 7.3, 

Pellets und Granulate: Folie 7.4, 

Pelletierer in der Natur: Folie 7.5, 

Beanspruchungsarten der Einzelkörner von Agglomeraten Folie 7.6, siehe 

auch Folie 2.18 in Folien_MVT_2neu.pdf und Abschnitt 2.1.2.1 in MVT_e- 

_2neu.pdf 

Beanspruchungsarten von Kornschichten Folie 7.7, 

Druckbeanspruchung von Agglomeraten Folie 7.8. 

In Folie 7.9.1 sind die wichtigsten Agglomerationsprozesse schematisch 

dargestellt /8.1/: 

a) Aufbauagglomeration (Pelletieren): 

Man versteht darunter den Aufbau meist weniger fester Agglomerate 

beim Abrollen des Gutes an Böschungen (Folie 7.9.1a) oder durch 

Mischbewegungen. Als Bindekräfte treten in den Pellets überwiegend 

Kapillarkräfte auf, weshalb neben der Feinheit die Feuchte des Gutes 

eine ausschlaggebende Rolle spielt (Abschnitt 6.1.2.1 MVT_e_6.doc). 

Auf diese Weise hergestellte sog. "grüne" Pellets werden im Allgemeinen 

noch einer Nachverfestigung unterzogen. Dies geschieht bei Eisenerzen 

bzw. -konzentraten durch die beim Brennen der Pellets eintretende 

Sinterung. 


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432 

Das Kalthärten von Pellets durch beigemischte hydraulische Bindemittel, 

wie Zement, Kalziumhydroxid, Magnesiumoxid, (= Festkörperbrücken 

durch chemische Reaktionen!, Abschnitt 6.1.3.2 MVT_e_6.doc) 

gewinnt wegen seiner wirtschaftlichen Vorteile an Bedeutung. 

b) Pressagglomeration (Brikettieren, Tablettieren): 

Hierfür ist die Formkörperbildung unter erhöhtem Druck charakteristisch 

(Folie 7.9.1b), wobei Haftkräfte verschiedener Art wirksam werden können. 

Die Pressdrücke liegen zwischen 10 und 1000 MPa. 

Die Brikettier- bzw. Tablettierfähigkeit eines Gutes hängt von 

* den Stoffeigenschaften, 

* den Partikelgrößen und davon ab, ob 

* Bindemittel zugemischt werden. 

c) Sintern und Partikelfusion (-verschmelzung): 

Bei diesem Prozess wird dem zu agglomerierenden Gut so viel Wärme 

zugeführt, dass die Atome eine genügende Beweglichkeit erreichen, damit 

sich vor allem durch diffusive Transportvorgänge und oberflächliches 

Aufschmelzen an den Partikelkontakten Festkörperbrücken ausbilden 

können (Abschnitt 6.1.3.3 MVT_e_6.doc). 

Da es sich beim Sintern um einen thermischen Prozess handelt, soll es 

hier nur im Zusammenhang mit der Pellethärtung betrachtet werden. 

d) Grüne Pellets lassen sich analog auch bei der Wirbelschichttrocknung 

herstellen und nachhärten, bei der in eine Wirbelschicht Wasser 

eingedüst wird und sich durch die intensive Mischbewegungen Pellets 

bilden. 

Es sei noch bemerkt, dass in verschiedenen Ausrüstungen, die anderen Prozessgruppen 

zuzuordnen sind, Agglomerationseffekte im Sinne einer Prozessintegration 

auftreten können, die gegebenenfalls gezielt genutzt werden, 

z. B. spezielle Mischer, Zerstäubungstrockner /8.6/. 

7.1 Festigkeit der Agglomerate 

Eine wichtige Eigenschaft von Agglomeraten ist ihre Festigkeit, da sie bei 

Transport, Lagerung und Verwendung unterschiedlichen mechanischen Beanspruchungen 

durch 

- Druck, 

- Stoß, 

- Scherung (Abrieb) und 

- Biegung 


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433 

ausgesetzt sind, siehe Folie 7.6, Folie 7.7 und Folie 7.8. Im Hinblick auf die 

Erfordernisse der Praxis sind deshalb entsprechende Festigkeitstests entwickelt 

worden, wobei unter dem Begriff "Festigkeit" alle Eigenschaften zusammengefasst 

sind, die die Widerstandsfähigkeit der Agglomerate sowohl 

bei definierter Beanspruchung als auch bei kombinierter, nicht eindeutig 

definierter mechanischer Beanspruchung ausdrücken /8.4/. 

Gegenwärtig lassen sich nur für die Zugfestigkeit und Druckfestigkeit 

(Folie 7.8) physikalisch begründete Modelle aufstellen (s. Abschn. MVT_e- 

_6.doc - SigmaZ1, MVT_e_6.doc - SigmaC). 

Folie 7.9.2 gibt einen Vergleich der theoretischen Festigkeiten von Agglomeraten, 

die vom RUMPF unter Voraussetzung verschiedener Bindemechanismen 

berechnet wurden /8.5/. Das Diagramm ist durch eine gestrichelte 

Horizontale zunächst in zwei Bereiche geteilt, die das Feld der Festigkeit 

der Briketts von dem der Kristallisate abgrenzt. Obwohl für letztere rein 

theoretisch keine Abhängigkeit der Festigkeit von der Partikelgröße des 

zu agglomerierenden Gutes besteht, ist sie aber praktisch immer vorhanden. 

Die Festigkeit nimmt nämlich im allgemeinen mit abnehmender Partikelgröße 

zu, σ Z ⇑ wenn d ⇓. 

Für die anderen Mechanismen besteht auch theoretisch eine ausgesprochene 

Abhängigkeit der Festigkeit von der Partikelgröße. 

In Folie 7.9.2 rechts sind nach RUMPF /8.5/ experimentell ermittelte 

Druckfestigkeiten von Agglomeraten zusammengestellt. 

7.2 Aufbauagglomeration 

7.2.1 Prozessgrundlagen 

Die Pelletbildung lässt sich bei der Aufbauagglomeration entweder 

- durch Abrollvorgänge bei Umwälzen (Folie 7.10.1) oder 

- durch Partikelstöße bei Durchmischen (Trogmischer, Wirbelschicht) 

realisieren. 

In der Praxis dominiert die zuerst genannte Vorgehensweise, wenn höhere 

Anforderungen an die Agglomerate hinsichtlich Festigkeit und glatter Oberfläche 

gestellt werden. Diese Pelletbildung wird hauptsächlich 

- in flach geneigten Trommeln und 

- steiler geneigten Tellern realisiert, Folie 7.10.1. 


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434 

Den Ausrüstungen wird feuchtes Gut aufgegeben und die jeweils optimale 

Feuchte noch zusätzlich durch Besprühen gewährleistet. Die Pelletbildung 

und eine angemessene Festigkeit der grünen Pellets setzen zunächst eine 

Feinheit 

- von etwa d < 1 mm voraus, 

- wobei der Anteil < 75 µm mindestens 20 % 

betragen muss. 

Bei vielen Stoffen werden jedoch höhere Feinheiten benötigt. Bei der 

Pelletbildung lassen sich folgende Wachstumsmechanismen abgrenzen (siehe 

/8.1, 8.7 bis 8.9/): 

a) Keimbildung: 

Aufgrund der Bewegungsvorgänge im feuchten Pelletiergut treffen Partikeln 

aufeinander, und sie haften zunächst durch sich bildende Flüssigkeitsbrücken 

in Form flockiger Aggregate aneinander. Mit fortschreitender 

Umwälzung kommt es zur Verdichtung der Keime, und der Bin- 

des Kapillarbereiches wird mehr und mehr bestim- 

demechanismus 

mend. 

b) Koaleszenz: 

Beim Kollidieren von Keimen oder schon gebildeten Pellets können die- 

haften bleiben und dadurch entsprechend größere Agglo- 

se aneinander 

merate bilden. 

c) Anlagern: 

Beim Abrollen von Pellets auf feinem, feuchtem Gut lagern sich Einzelkörner 

oder auch Flocken durch kapillare Bindemechanismen oberflächlich 

an (Folie 7.10.2). Das ständige Umwälzen und Abrollen führt zum 

fortwährenden Aufbau von Partikelschichten und zur weiteren Verdich- 

so dass auch für die gebildeten Pellets der Bindemechanismus des 

tung, 

Kapillarbereichs bestimmend ist. 

Andererseits sind Keime und Pellets beim Umwälzen Beanspruchungen 

ausgesetzt, die zu deren Zerfall oder Zerkleinerung führen können, d.h. es 

bildet sich ein stationäres Gleichgewicht zwischen Bildung (Quellen) und 

Zerfall (Senken). 

Schließlich tritt noch ein Mechanismus auf, der als Abrasionsübergang 

bezeichnet wird. Hierbei gehen während der Kollision oberflächliche Körner 

bzw. Partikelschichten unmittelbar von einem Pellet zum anderen über. 


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435 

Die genannten Mechanismen sind in Abhängigkeit davon, ob es sich um 

diskontinuierliches oder kontinuierliches Pelletieren handelt, sowie ver- 

u.a. 

schiedener Einflussgrößen 

- wie Gutfeuchte, 

- Partikelgrößenverteilung, 

- Bindemittelzusatz 

in unterschiedlichem Maße an der Pelletbildung beteiligt. 

Für industrielle Pelletierprozesse (vor allem in Trommeln) ist charakteristisch, 

dass "Feingut" (d.h. nicht genügend große Pellets, Abrieb) im Kreischnitt 

6.1 MVT_e_6.doc heran- 

lauf geführt wird, so dass wachstumsfähige "Keime" auch auf diese Weise 

entstehen. 

Zur Kennzeichnung der Haupteinflussgrößen für die Grünfestigkeit von 

Pellets lassen sich die Aussagen im Abs 

ziehen. 

Im Brückenbereich gilt Gl.(6.55) MVT_e_6.doc - SigmaZ1_FlüssBr, im 

Kapillarbereich Gl.(6.61) MVT_e_6.doc - SigmaZ_Sätt und im Übergangsbereich 

entsprechend eine Überlagerung beider Mechanismen (siehe auch 

Folie 6.21, MVT_e_6.doc - Feuchtigkeit). 

Pelletbildung und Überlagerung werden in entscheidendem Maße von der 

Feuchte beeinflusst. In Abhängigkeit vom Flüssigkeitsgrad ist der günstigste 

Bereich der Kapillarbereich (Folie 6.21). Folglich existiert für jedes Gut 

eine Feuchtigkeitsmenge, bei der das Pelletieren optimal verläuft. Diese 

hängt von den Kapillareigenschaften des Gutes und damit von dessen Partikelgrößenverteilung 

und Benetzungsverhalten sowie von der Porosität der 

Pellets ab. 

Liegt die Feuchte unter dem Optimalwert, so tritt entweder überhaupt 

keine Formung ein, oder die relativ trockenen Pellets zerfallen schon bei 

geringer Beanspruchung. Bei zu hohem Flüssigkeitszusatz sind die Pellets 

plastisch, sie backen zusammen und kleben an den Apparatewandungen. 

Der Einfluss der Partikelgröße des Pelletiergutes ist auch nach Gl.(6.61) 

MVT_e_6.doc - SigmaZ_Sätt abschätzbar, wenn dort für den Kapillardruck 

der Eintrittskapillardruck p K,E gemäß Gl. (6.60) MVT_e_6.doc - pKE gesetzt 

wird. Danach nimmt die Grünfestigkeit mit zunehmender Feinheit zu, 

und zur Gewährleistung einer Mindestfestigkeit ist auch eine Mindestfeinheit 

erforderlich. Die notwendigen Feinheiten werden durch andere Eigenschaften 

modifiziert. Erfahrungsgemäß soll für die Eisenerzpelletierung die 

massebezogene Oberfläche mindestens 150 bis 200 m 2 /kg (Permeabilitäts- 

methode!) betragen /8.11/. 


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436 

Auch die Zunahme der Grünfestigkeit mit Abnahme der inneren Porosität 

der Pellets lässt sich aus den genannten Modellen ableiten. Aus ihnen folgt 

weiterhin eine direkte Proportionalität zwischen der Oberflächenspannung 

der Flüssigkeit und der Pelletfestigkeit. 

Zur Verbesserung der Pelleteigenschaften werden Zusatzstoffe (Additive) 

eingesetzt. Zusatzstoffe zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der 

grünen, getrockneten und/oder gebrannten Pellets z nennt man Bindemittel 

(z. B. Betonit bei der Eisenerzpelletierung). Andererseits werden Zusatz- 

Zusammensetzung zu verändern (z. B. 

stoffe benutzt, um die chemische 

Kalkstein zur Beeinflussung der metallurgischen Eigenschaften von Eisenerzpellets). 

Beide Wirkungen lassen sich gegebenenfalls durch einen Zu- 

Größe und Form sind wichtige Qualitätsmerkmale der Pellets. Man fordert 

satzstoff hervorbringen. 

vom Standpunkt 

- der Schüttguteigenschaften, 

- der Durchströmungs-, 

- Brenn-, 

- Sinter- und 

- Reaktionsbedingungen 

eine möglichst enge Pelletgrößenverteilung. Die Pelletgröße hängt von 

verschiedenen Faktoren ab. Sie wächst in bestimmten Grenzen vor allem 

mit der Feuchtigkeit des Aufgabegutes und seiner Verweilzeit in der 

Pelletiermaschine. 

Über die Wechselbeziehungen von Feuchte und Verweilzeit bzw. Durchsatz 

auf die Pelletgröße informiert Folie 7.11.3 unten links. 

Die maximal erreichbare Pelletgröße nimmt mit wachsender Partikelgröße 

des Pelletiergutes ab. Bei entsprechend angepassten Pelletierbedingungen 

entstehen aufgrund der Abrollvorgänge kugelige Pellets. Eine weitere Oberflächenglättung 

ist durch Nachrollen möglich, gegebenenfalls unter Zusatz 

von trockenem, feinem Gut. 

Für die Festigkeitsbewertung grüner Pellets sind vor allem die Druckfestig- 

eingeführt /8.11/. 

keit und die Fall- oder Prallfestigkeit 

Weiterhin spielt das Verhalten bei plötzlichem Erhitzen eine wichtige Rolle. 

Feuchte Agglomerate können dabei explosionsartig zerplatzen. Als 

Schocktemperatur bezeichnet man jene maximale Temperatur, der ein 

Pellet unmittelbar ausgesetzt werden darf, ohne dass es rissig wird bzw. 

platzt. Die Zerfallsneigung wächst 

- mit fallender Porosität und 

- Partikelgröße, 


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- sich verbreiternder Partikelgrößenverteilung des Pelletiergutes, 

- mit Zunahme von Pelletdurchmesser, 

- Pelletfeuchte und 

- Temperatur des Trockenmediums. 

437 

7.2.2 Pelletierausrüstungen 

Wie schon kurz erörtert, spielt die Rollagglomeration in Pelletiertellern 

und Pelletiertrommeln (Folie 7.10.1) in der Praxis die wichtigste Rolle. 

Die Aufbauagglomeration mittels Partikelstößen 

- in geeigneten Mischausrüstungen, 

- Wirbelschichtgranulatoren u.a. kann angewendet werden, wenn an die 

Agglomerate geringere Forderungen 

- hinsichtlich Festigkeit, 

- glatter Oberfläche und 

- gleichmäßiger Partikelgröße 

zu stellen sind. 

7.2.2.1 Pelletierteller 

Pelletierteller ( Folie 7.11.3) sind flachzylindrische Behälter, die um ihre 

geneigte Achse rotieren. Der Tellerdurchmesser D kann bis zu 7,5 m be- 

β seines Tellerbo- 

tragen. Die Bordhöhe der Teller liegt etwa im Bereich (0,1 - 0,25)⋅D, wobei 

die untere Grenze für sehr große und die obere für kleine Teller gilt. 

Wesentlich für den Betrieb eines Tellers ist die Neigung 

dens zur Horizontalen im Vergleich zum wirksamen dynamischen Bö- 

(Folie 7.11.3) 

schungswinkel ϕ B ’ des auf dem Teller bewegten Schüttgutes 

/8.11/. Der Neigungswinkel β muss deutlich größer sein als der Böschungs- 

Leitbleche und schließlich Sprüh- 

winkel ϕ B ’. In der Praxis liegt β vorwiegend zwischen 35° und 55°. 

Zur Ausrüstung gehören weiterhin Abstreifer, die den Tellerboden von 

anhaftendem Material säubern, teilweise 

düsen. Die Ausführungsformen der Teller variieren: 

- So gibt es solche, bei denen die Bordhöhe verändert werden kann. 

- Andere wiederum sind mit einem Nachrollring versehen. 

- Schließlich gibt es auch Teller mit stufenförmigem Boden. 

Das Aufgabegut wird entweder trocken oder teilweise befeuchtet mittels 

eines geeigneten Fördermittels dem Teller zugeführt. Der weitere Feuchtezusatz 

geschieht durch Sprühdüsen. 


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438 

Mit anwachsender Drehzahl werden Gut und Pellets immer höher angehoben, 

so dass auch der Abrollweg und die mechanischen Beanspruchungen 

zunehmen, denen die Pellets ausgesetzt sind. Für die betriebliche Praxis 

kommt etwa der Bereich (0,6 ... 0,75) n krit in Betracht /8.7, 8.13/, wobei für 

n krit gilt (s. auch Gl. (2.126) MVT_e_2.doc - nkrit): 

n krit 

= 1 g ⋅sinβ 

π 2⋅ 

D 

. ( 7.1) 

D Tellerdurchmesser 

Die fertigen Pellets treten im unteren aufsteigenden Quadranten des Tellers 

über den Bordrand, wenn das Materialvolumen im Teller dessen Fassungs- 

des abnehmenden Rollreibungswiderstandes 

vermögen übersteigt. Aufgrund 

µ R ∼ r -1 mit zunehmenden Pelletradius 

kommt es im Teller zu einem 

Klassiereffekt, wodurch Pellets relativ einheitlicher Größe über den Teller- 

gewünschten Pelletgrößen liegen i.A. zwischen 3 und 20 mm. Der 

rand ausgetragen werden. 

Die 

Durchsatz lässt sich überschläglich wie folgt berechnen /8.7, 8.13/: 

m 

= k ⋅1,5 

⋅D 

P 

2 

D Tellerdurchmesser in m 

k P 

Pelletierfaktor: 

k P = 1,3 ... 2,5 Zement-Rohmehl 

k P = 0,6 ... 0,9 Eisenerz bzw. Konzentrate 

k P = 0,95 ... 1,1 Mischdünger 

in t/h. ( 7.2) 

7.2.2.2 Pelletiertrommeln 

Zylindrische Pelletiertrommeln (Folie 7.10.1) sind offene Trommeln, die 

jedoch an der Aufgabeseite einen Rückhaltering oder Konus aufweisen können, 

um den Rückfluss des Gutes auszuschließen. Die Trommeln sind um 6° 

bis 10° gegen die Horizontale geneigt. 

Sprühvorrichtungen in Form von Brausen und Düsen ermöglichen die 

dosierte Wasserzugabe an verschiedenen Stellen der Trommel. 

Die Drehzahl der Trommeln ist so einzustellen, dass sich die Abrollvorgänge 

optimal ausbilden können (Folie 7.12.5). 

Für Trommeln von 3 bis 3,5 m Durchmesser liegt der Optimalbereich etwa 

zwischen 8 und 14 min -1 . 

Die Gutbewegung wird - wie in Trommelmühlen - mit von den 

Reibungsbedingungen 

auf der Trommelwand beeinflusst. Auf metallisch glatten In- 


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439 

nenflächen bildet sich eine Schicht feuchten Feingutes, die sich diesbezüglich 

günstig auswirkt und deren Dicke mittels einer feststehenden oder rotierenden 

Abstreifvorrichtung kontrolliert wird. Die Durchmesser betrieblich 

eingesetzter Trommeln liegen zwischen etwa 1,5 und 4,6 m, die Durchsätze 

entsprechend zwischen 10 und 80 t/h. 

Pelletiertrommeln liefern im Vergleich zu den Pelletiertellern eine relativ 

breite Pelletgrößenverteilung, so dass eine anschließende Siebklassierung 

mit Rückführung des Feingutes unerlässlich ist (Folie 7.12.4). 

Weiterhin ist ihre Pufferfähigkeit zu nennen. Schließlich liefern sie etwas 

festere Pellets als Teller. Ihr Haupteinsatzgebiet liegt in der Eisenerzaufbereitung. 

7.2.3 Pellethärtung 

Da die Festigkeit grüner Pellets für Transport und nachfolgende Verwendung 

nicht ausreicht sowie sich beim Trocknen sogar noch vermindern 

kann, ist im Allgemeinen eine Pellethärtung unerlässlich. Dies geschieht 

vorwiegend durch das beim Brennen der Pellets eintretende Sintern. Die für 

die Härtung erforderlichen Festkörperbrücken (siehe Abschnitt 6.1.3 

MVT_e_6.doc) lassen sich aber auch durch das 

‣ Erhärten von Bindemitteln Gln.(6.67) MVT_e_6.doc - Sigmact_Chem, 

oder durch 

‣ Auskristallisieren gelöster Stoffe Gl.(6.63) MVT_e_6.doc - 

Sigmact_Krist 

erzeugen. 

Um Festkörperbrücken mit Hilfe von Sintermechanismen Gln.(6.73) 

MVT_e_6.doc - FHt_FN und (6.77) MVT_e_6.doc - Sigma0t_Sinter zu 

realisieren, sind außer der punktweisen Berührung der Partikeln folgende 

Voraussetzungen zu erfüllen: 

a) Es ist die erforderliche Beweglichkeit der Atome des zu sinternden Gutes 

zu gewährleisten. Deshalb muss Wärme an die Oberfläche der Partikeln 

herangeführt werden. Exotherme Reaktionen im Gut können den Sinterprozess 

unterstützen. 

b) Die Höchsttemperatur, die die Partikeloberflächen erreichen, muss entweder 

eindeutig unter der Schmelztemperatur liegen (Trockensintern), 

oder die Zeit, während der die Schmelztemperatur überschritten wird, 

muss im Vergleich zur Einschmelzzeit der Partikeln klein sein (Schmelzsintern). 

Es dürfen sich also nur flüssige Oberflächenschichten bilden. 


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440 

Sinterprozesse für Pellets zeichnen sich im Allgemeinen dadurch aus, dass 

mit äußerer Verbrennung gearbeitet wird, d.h., die Verbrennung eines geeigneten 

Brennstoffs geschieht außerhalb des Pelletbettes. Die Verbren- 

das letztere, das entweder als ruhende Schütt- 

nungsgase durchströmen 

schicht (Wanderroste) oder bewegte Schüttschicht (Schachtofen) vorliegt. 

Lediglich zum Erzielen von Bläheffekten (z.B. bei der Erzeugung von 

Leichtzuschlagstoffen) ist gegebenenfalls noch der Zusatz von festem 

Brennstoff zum Pelletiergut üblich. 

Da grüne Pellets eine relativ hohe Feuchte aufweisen, ist schon zum Trock- 

Wärmeaufwand erforderlich. Während des Trocknens 

nen ein beträchtlicher 

sind der Zerfall oder das Zerplatzen der Pellets zu vermeiden. Für das Brenwerden 

fast ausschließlich 

nen von Pellets 

- Schachtöfen, 

- Wanderroste oder 

- Wanderrost-Drehrohrofen-Anlagen 

eingesetzt. 

Unabhängig von der Art der Ausrüstung lässt sich der Gesamtprozess in die 

Teilprozesse 

- Trocknen, 

- Aufheizen, 

- Brennen und 

- Kühlen 

untergliedern. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten ist auf entsprechende 

Fachliteratur zu verweisen, z. B. /8.1, 8.11/. 

Dem Härten von Pellets durch Anwendung von Bindemitteln, die eine hohe 

Festigkeit hervorbringen, ist in neuerer Zeit erhöhte Aufmerksamkeit ge- 

worden. Dabei werden Bindemechanismen genutzt, die entweder 

schenkt 

auf 

- hydraulischen Reaktionen (z. B. Abbinden von Zement) im Bereich 

normaler Temperaturen bis zu etwa 250 °C beruhen oder 

- bei denen die Verfestigung durch Karbonatisierung (z. B. von Kalkhydrat) 

erfolgt. Die Bindemittel sollten eine solche Zusammensetzung aufweisen, 

dass sich keine negativen Auswirkungen für die Pelleteigenschaften ergeben. 

7.3 Pressagglomeration (Brikettieren, Tablettieren) 


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441 

Die für die Pressagglomeration charakteristische Formkörperbildung unter 

erhöhtem Druck lässt sich durch die in Folie 7.13.1 dargestellten Wirkprinzipien 

realisieren. Die Einteilung ist nach den Gegebenheiten 

- der Pressgeometrie (geschlossene oder offene Form) und nach 

- der Art der Verdichtungsbegrenzung (geometrisch begrenzt oder kraftbegrenzt) 

vorgenommen worden: 

a) Pressagglomeration in geschlossener Form mit geometrisch begrenzter 

Verdichtung wie in Stempelpressen und Tablettenpressen (Folie 7.13.1a), 

b) Pressagglomeration in offener Form mit kraftbegrenzter Verdichtung 

aufgrund der Wandreibung des gepressten Stranges in Strang- und Lochpressen 

(Folie 7.13.1b) und 

c) Pressagglomeration durch Walzdruck in Walzenpressen (Folie 7.13.1c). 

Diese Wirkprinzipien können weiter modifiziert sowie miteinander kombiniert 

werden. 

7.3.1 Kompressibilität und Verpressbarkeit 

7.3.1.1 Mikroprozesse 

In Abhängigkeit von den Stoffeigenschaften, der Verdichtung und dem evtl. 

Zusatz eines Bindemittels können an der Brikettbildung verschiedene Bindekräfte 

beteiligt sein. Bei der Beurteilung eines körnigen Stoffes in Bezug 

auf seine Brikettierfähigkeit sind zu unterscheiden: 

- seine Kompressibilität, d.h. das Vermögen zur Volumenreduktion ΔV 

unter Druck p, d.h. Erzeugung einer genügend hohen Dichte des Presszu 

bilden, d.h. Erzeugung einer ausreichend hohen 

ling ρ b = f(p), und 

- die Verpressbarkeit, d. h. das Vermögen, unter Druck einen Pressling mit 

genügender Festigkeit 

Druckfestigkeit σ c = f(p) /8.14/. 

Bindemittel übernehmen im Allgemeinen noch eine Zusatzfunktion, indem 

sie während des Verdichtungsvorganges als "Schmiermittel" die 

Umordnung der Partikeln erleichtern können (inneres Schmiermittel). 

Äußere Schmiermittel werden manchmal zugesetzt, um die Reibung auf den 

Pressformoberflächen herabzusetzen /8.7/. 


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442 

Die Kompressibilität von Partikelsystemen entspricht der Druckabhängigden 

Mikrovorgängen: 

keit der Packungsdichte bei Schüttgütern und wird beeinflusst von folgen- 

(1) Umlagerung steifer Partikeln mit steifen Kontakten zu einer dichteren 

Zufallspackung, 

(2) Deformation weicher Kontakte von harten (mineralischen) Partikeln 

und 

(3) Deformation weicher Partikeln (z.B. Biozellen). 

Das Pressverdichten bewirkt, dass die im Gut zunächst nur punktartig vorhandene 

Kontakte hinsichtlich ihrer Zahl erhöht und vor allem zu flächen- 

werden (siehe auch Abschnitt 6.1.1.2.2 

haften Kontakten umgebildet 

MVT_e_6.doc) 

⇒ Mikroprozesse und Deformationsvorgänge beim Pressen: Folie 7.13.2 a) 

bis f). 

Die Verdichtung vollzieht sich anfänglich, d.h. bei noch großer äußerer Po- 

wobei die inneren Reibungskräfte zu überwinden sind (Folie 7.13.2b). 

rosität bzw. geringem Pressdruck, vornehmlich durch Umordnung der Partikeln, 

Mit weiter ansteigendem Pressdruck bzw. abnehmender Porosität kommt es 

mehr und mehr zur Partikelverformung mit nachfolgenden Brüchen. In 

Folie 7.13.2 sind diese Vorgänge schematisch dargestellt. 

Infolge der Reibungswärme können örtliche Sintervorgänge bzw. Reaktionsbrückenbindungen 

eintreten und zu Festkörperbrücken führen. 

Plastisches Verhalten 

- der Partikeloberflächen (geringe Härte) und 

- Volumenphase der Pa rtikeln (geringe Partikelfestigkeit und Steifigkeit) 

des Brikettiergutes begünstigt das Entstehen flächenhafter Kontakte und ist 

deshalb für die Verpressbarkeit sehr wesentlich. 

⇒ Beispeilhafte Druck- und Dichteverteilungen beim Pressen, s. Folie 7.14 

7.3.1.2 Kompressibilität der Stoffe 

Makroskopisch unterscheidet man bezüglich der Kompressibilität der Stoffe: 

• Kompressibilität analog HOOKschem-Gesetz für Festkörper 

Δl 

1 

= ε = 

l E 

0 

⋅ Δσ 

mit E 2( 1+ν 

) ⋅ G 

bzw. 

Δx 

= γ = 

y 

0 

1 

G 

⋅ Δτ 

( 7.3) 

= . ( 7.4) 


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• Für die Kompressibilität bei Flüssigkeiten und auch Festkörpern gilt 

für dreiachsigem Druck dementsprechend: 

dV dp 

= κ = . ( 7.5) 

V 0 

K 

443 

κ Kompressibilität (hier dimensionslos definiert! - im Unterschied zum 

di mensionsbehafteten κ = 1/K, siehe HÜTTE B 191) 

K Kompressionsmodul = Kompressionswiderstand oder Steifigkeit, 

d.h. wenn ν = 0 ist K ≅ E/3, 

⇒ ansonsten gilt im isotropen Fall 

E = 3⋅ 

( 1−2ν 

) ⋅ K . ( 7.6) 

ν = −ε que r 

/ ε axial 

Querdehnungs- o. POISSON-Zahl, für inkompressi- 

bel, volumenerhaltende Stoffe ist maximal ν = 0,5 

• Kompressibilität für Gase bei adiabatischer (isentroper) Zustandsände- 

Wärmeaustausch mit der Umgebung (S = const.), gültig ins- 

rung (= kein 

besondere für schnelle Druckänderungen): 

mit p ⋅ κad V = const. 

( 7.7) 

und 

cM,p 

cM,V 

+ R R 2 

κ 

ad 

= = = 1 + = 1+ 

> 1. ( 7.8) 

c c f ⋅R / 2 f 

M,V 

M,V 

κ ad 

c M,V 

c M,p 

f 

Isentropen- oder Adiabatenexponent (κ ad ≈ 1,67 für einatomige 

bzw. κ ad ≈ 1,4 für zweiatomiger Gase) 

molare Wärmekapazität bei konstantem Volumen 

molare Wärmekapazität bei konstantem Druck 

Zahl der anregbaren Schwingungsfreiheitsgrade von Atomen 

und Molekülen (= 3 [Translationsrichtungen] einatomiger 

bzw. = 5 [3 Translationsrichtungen + 2 Rotationsrichtungen] 

zweiatomiger Gasmoleküle, z.B. N 2 , O 2 (Luft), siehe HÜTTE 

1991 S. B 60 bzw. B 68) 

Außerdem folgen dV κ 1 const. 

adV 

ad − 

κ = − 

2 

dp 

− p 

dV 1 const.V 

1 V 

= = bzw. 

κ ad 

dp κ ad 

pV p κad 

p 

dV 1 1 dp 

≡ κ = ⋅ dp ≡ . 

V κ p K 

D.h. 

ad 

RT 

K = κad 

p = κad ⋅ 

( 7.9) 

V 

m 


21.03.2011

444 

ein hoher Adiabatenexponent bedeutet einen hohen Kompressionswiderstand 

bzw. geringe Kompressibilität. 

• Kompression eines Schüttgutes 

Analog zur adiabaten Gaskompressibilität Gl.( 7.7) (Folie 7.15, Folie 7.16) 

lässt sich schreiben: 

dV 1 V 

d(V / m) 1 V / m 

− = bzw. − = , ( 7.10) 

dp κad 

p 

dp κad 

p 

d(1/ ρ) 

dρ 

1 1 dρ 

1 ρ 

− =− = oder = ⋅ . 

2 

dp − ρ ⋅ dp κ ρ ⋅ p dp κ p 

ad 

Damit lässt sich für ein Schüttgut eine gutabhängige Konstante (Kompressibilitätsindex 

n ≡ 1/ κ analog dem Adiabatenexponenten) einfüh- 

ad 

ren. Wenn man zusätzlich die Van-der-Waals-Gleichung von Gasen, die 

nahe des Kondensationspunktes gilt, beachtet (V m molares Volumen) 

2 

( p a / V ) ⋅(V 

+ − b) = R ⋅T 

, ( 7.11) 

VdW 

m 

m 

lässt sich der Schüttgutdruck durch die mittlere Verfestigungsnormal- 

(τ → 0) plus Haftspannung ausdrücken p = σM,st 

+ σ0 

spannung : 

ad 

dρ 

ρ 

b 

b 

= n ⋅ 

dp 

p 

dσ 

= n ⋅ 

σ + σ 

0 

M,st 

M,st 

. 

• Diese Differentialgleichung einer inkrementalen „Verdichtungsge- 

wird auch als Kompressionsrate schwindigkeit“ bezeichnet: 

dρ 

dσ 

b 

M,st 

= n ⋅ 

σ 

0 

ρb 

+ σ 

M,st 

. ( 7.12) 

Mit der Randbedingung ρ b = ρ b,0 , wenn σ M,st = 0 ist: 

ρ 

σ 

b 

M ,st 

dρ 

dσ 

b M,st ρb 

∫ = n ⋅ 

ρ 

∫ , d.h. ln = n ⋅ ln σ0 

+ σ 

σ + σ ρ 

ρb,0 

b 

0 0 M, st 

b,0 

[ ( ) − ln σ ] 

M,st 

0 

ρ 

ρ 

b 

b,0 

⎛ σ 

= 

⎜ 

⎝ 

0 

+ σ 

σ 

0 

M,st 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

n 

. ( 7.13) 

Schüttgutdichte 

ρ b 

n = 1 ideal kompressibel 

0 < n < 1 kompressibel 

ρ b,0 

n = 0 inkompressibel 


21.03.2011 

-σ 0 

0 

mittlere Verfestigungsspannung σ M,st

445 

Bild 7.1: Darstellung der Kompressionsfunktion 

nach Gl.( 7.13) 

Für die dreiparametrige Funktion Gl.( 7.13) mit zusätzlicher Berücksich- 

tigung eine s messbaren Ordina tenabschnittes, für σM,st = 0 ist ρ b = ρ b,0 , 

und einem Abzissenabschnitt im negativen Zugspannungsbereich, für ρ b = 

0 ist σ M,st = - σ 0 . Partikelmechanisch gesehen entspricht dieser 

Abzissenabschnitt einer Zugspannung und müsste als Zugfestigkeit 

unverfestigter Partikelkontakte gemessen werden. 

Eine sehr hohe Kompressibilität - analog einem idealen Gas - wäre folglich 

bei n = 1 zu beobachten. Kontinuumsmechanisch betrachtet ist hier der 

Kompressionswiderstand am niedrigsten, d.h. ein Kompressionsmodul K b 

der Partikelpackung in Gl.( 7.5). Bei inkompressiblem Gut wäre die Steifig- 

keit oder der Kompressionsmodul unendlich, Tabelle 7.1. 

Kompressibilitätsindex Bewertung Beispiele 

0 ≤ n < 0,01 inkompressibel trockener Sand 

0,01 ≤ n < 0,05 wenig kompressibel feuchter Sand 

0,05 ≤ n < 0,1 kompressibel kohäsive Pulver 

0,1 ≤ n < 1 sehr kompressibel sehr kohäsive Pulver 

Tabelle 7.1: Charakterisierung der Kompressibilität von Schüttgütern (Vergleiche 

n = 1/ κ = 3/5 = 0,6; 5/7 = 0,71; n = 1 ideales Gas s.u.) 

ad 

Diese Verdichtungsfunktion Gl. ( 7.13) lässt sich auch nach Ersetzen von 

σ M,st mit der größten Hauptspannung σ 1 gemäß Gl.( 7.14) 

σ1 + σ 

σ 0 

M ,st 

+ σ0 

= 

( 7.14) 

1+ 

sin ϕ 

st 

folgendermaßen ausdrücken: 

n 

n 

ρ ⎛ 

b 

σ1 

+ σ ⎞ ⎛ 

0 

1 ⎞ ⎛ σ ⎞ 

1 

= 

⎜ 

= 

⋅ 1 

( ) 

⎟ 

⎜ 

⎟ 

⎜ + 

⎟ 

ρb,0 

⎝ 1+ 

sin ϕst 

⋅σ0 

⎠ ⎝1+ 

sin ϕst 

⎠ ⎝ σ0 

⎠ 

ρ b 

ρ 

⎛ 

= ⎜ 

1 

⎞ 

⎟ 

1 

⎜ 1 , 0 

sin ⎟ ⎜ ⎟ 

b ⎝ + ϕst 

⎠ ⎝ σ0 

⎠ 

n 

⎛ σ 

⋅⎜1+ 

⎞ 

⎟ 

n 

n 

. ( 7.15) 

⇒ Für ein kohäsionsloses Pulver werden die Randbedingungen ρ b = 0 

und σ = 0 und ρ = ρ /2, wenn σ = σ folgt wiederum 

1 b s 1 1/50 


21.03.2011

446 

ρ 

ρ 

b 

∫ 

s / 2 

dρ 

ρ 

b 

b 

= n ⋅ 

σ 

σ 

1 

∫ 

1/ 50 

n 

dσ 

σ 

1 

1 

, d.h. 

ρb 

σ 

ln = n ⋅ln 

ρ / 2 σ 

s 

1 

1/ 50 

1 

σ 1/ 50 

1 1⎛ 

σ1 

2 ⎟ ⎞ 

− ε = 

⎜ 

( 7.16) 

⎝ σ1/ 

50 ⎠ 

⇒ σ = , wenn 1 − ε = 0, 5 wird nahezu die kubische Packung erreicht: 

1− ε = π = 0, 5236 

6 

⇒ n - Kompressibilitätsindex für σ1 < 50 kPa , meist n < 0,1 

- Walzenpressen und Brikettierung von Metallspänen 0,02 < n < 0,2 

- spezifische Kompressionsarbeit eines kohäsiven Schüttgutes siehe Folie 

7.17: 

Die Arbeit beim Verdichten ist entlang des Stempelweges s oder bezüglich 

einer Volumenverminderung - dV: 

W = F(s) ds = p dV 

( 7.17) 

∫ −∫ 

und massebezogen kann man schreiben mit d( 1/ ρ) = −dρ 

/ 

ρ 

2 : 

dV 

1 p( ρ) 

m 

= −∫ 

p(V) = −∫ 

p(V) d = ∫ dρ 

. ( 7.18) 

m 

ρ ρ 

W 

2 

Zweckmäßig sollte W m = f(p) ausgedrückt werden. Für das Schüttgut (für 

ρ ρ b ) sei mit der Kompressionsrate nach Gl.( 7.12): 

ρb 

dρ b 

= n ⋅ ⋅ dp 

( 7.12) 

p 

p( ρb) 

p( ρb) 

ρb 

dp 

W 

m,b 

= ∫ dρb 

= ∫ n ⋅ ⋅ dp = n ⋅ 

2 

2 

ρ ρ 

∫ 

( 7.19) 

b 

b 

p ρb 

dp 

W 

m,b 

= n ⋅∫ . ( 7.20) 

ρ 

b 

Mit der Gl.( 7.13) der Schüttgutdichte ist also: 

σ 

−n 

M ,st 

1 ⎛ σ0 

+ σM,st 

⎞ 

Wm,b 

= n ⋅ ∫ ⋅ 

⎜ 

⎟ dσM,st 

, ( 7.21) 

ρ 

0 b,0 ⎝ σ0 

⎠ 

σ0 

+ σM,st 

wobei z = und dσM ,st 

= σ0 

⋅ dz mit n ≠ 1: 

σ 

σ 

0 

M ,st 

σ0 

−n 

n σ0 

0 M,st 

Wm,b 

= n ⋅ ∫ ⋅ () z dz = ⋅ ⋅ 

ρ 

0 b,0 

1− 

n ρ ⎜ ⎜⎛ σ + σ 

b,0 

σ0 

W 

W 

m,b 

m,b 

n σ 

= ⋅ 

1− 

n ρ 

0 

b,0 

n σ 

= ⋅ 

1− 

n ρ 

0 

b,0 

⎛ σ0 

+ σ 

⋅ 

⎜ 

⎝ σ0 

⎡⎛ 

σ0 

+ σ 

⋅ ⎢ 

⎜ 

⎢⎣ 

⎝ σ0 

M,st 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

M,st 

1−n 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

1− 

1−n 

σM ,st 


21.03.2011 

⎝ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

0 

1−n 

n σ ⎛ 

0 

σ ⎞ 

0 

− ⋅ ⋅ 

1 n 

⎜ 

⎟ 

− ρb,0 

⎝ σ0 

⎠ 

n 

⎤ 

−1⎥ 

. ( 7.22) 

⎥⎦ 

Vereinfacht lässt sich auch näherungsweise mit 1 – n ≈ 1 schreiben:

W 

m,b 

σ 

≈ n ⋅ 

ρ 

0 

b,0 

⎡⎛ 

σ 

⋅ ⎢ 

⎜1+ 

⎣⎝ 

σ 

M,st 

0 

⎞ ⎤ σ 

⎟ −1⎥ 

= n ⋅ 

⎠ ⎦ ρ 

M,st 

b,0 

. ( 7.23) 

• spezifische Kompressionsarbeit eines kohäsionslosen Schüttgutes 

dp 

W 

m,b 

= n ⋅∫ . ( 7.20) 

ρ 

b 

Mit der Gl.( 7.16) der Schüttgutdichte ist also: 

W 

m,b 

wobei 

W 

W 

m,b 

σ 

1 

2 

= n ⋅ ∫ 

ρ 

z 

0 

σ 

s 

⎛ σ ⎞ 

⋅ ⎜ 

⎝ σ ⎟ 

1/ 

50 ⎠ 

−n 

1 

d 

σ 

1 

= und d 

1 

= σ1/ 

50 

⋅ dz 

σ 1/50 

σ 

1 

σ 

= 2n 

⋅ ∫ 

ρ 

2 ⋅ n 

1/ 50 

⋅ 

( z) 

1 

, ( 7.24) 

σ mit n ≠ 1: 

−n 

2 ⋅ n σ 

dz = ⋅ 

1− 

ρ 

0 s 

n 

σ 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

σ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

1−n 

1/ 50 

s 

⎛ σ 

⋅ 

⎜ 

⎝ σ 

1 

1/ 50 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

1−n 

σ1 

1/ 50 1 

m,b 

= ⋅ ⋅ 

1 n ⎜ ⎟ 

. ( 7.25) 

− ρs 

σ1/ 

50 

Vereinfacht lässt sich auch näherungsweise mit 1 – n ≈ 1 schreiben: 

σ ⎛ 

1/ 50 

σ ⎞ 

1 

σ1 

Wm,b 

≈ 2 ⋅ n ⋅ ⋅ 

⎜ 

⎟ = 2 ⋅ n ⋅ . ( 7.26) 

ρs 

⎝ σ1/ 50 ⎠ ρs 

0 

447 

Darüberhinaus ist zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Pressdruck 

p und Verdichtung eine größere Zahl empirischer Modelle entwickelt 

worden. Von den einfachen Ansätzen soll folgender die realen Verhältnisse 

vielfach befriedigend widerspiegeln können /8.16/: 

V 

ln p = −k1 ⋅ + k 2 

. ( 7.27) 

V 

∞ 

V= f(p) Brikettvolumen 

V ∞ porenfreies Brikettvolumen (p → ∞) 

k1, k2 

stoffabhängige Parameter 

Das nachfolgende Modell erfasst einerseits das Schließen größerer Poren 

durch Umordnungseff ekte (Folie 7.13.2a) und andererseits das Schließen 

kleinerer Poren durch Deformationseffekte (Folie 7.13.2b,c) /8.15, 8.16/: 

V − 

⎡ p ⎤ 

0 

V 

g ⎡ p ⎤ 

⎢ − ⎥ − ⋅ ⎢ − 

k 

= k 3 

⋅exp 

k 

4 

exp V − 

p 

⎥ . ( 7.28) 

0 

V ∞ ⎣ ⎦ ⎣ p ⎦ 

V 0 A nfangsvolumen des zu verdichtenden Gutes 

p g , p k 

Druck, bei dem das Schließen der größeren bzw. kleineren 

Poren vorzugsweise verläuft (siehe Tab. 7.2) 


21.03.2011

448 

Die Parameter k 3 und k 4 geben die theoretisch maximal möglichen Verdichtungsanteile 

an, die auf das Schließen größerer und kleinerer Poren zurückzuführen 

sind. Tabelle 7.2 enthält Angaben über p g , p k , k 3 und k 4 verschiedener 

Stoffe /8.15/. 

Mit zunehmendem Pressdruck bzw. zunehmender Verdichtung wächst die 

Festigkeit, wobei die Steigerung niedrigerer Pressdrücke einen höheren Festigkeitszuwachs 

als die größerer hervorbringt. 

Stoff MOHSsche Härte k 3 k 4 p g 

in MPa 

p k 

in MPa 

Korund 9 0,50 0,35 22 350 

Quarz 7 0,60 0,25 17 380 

Magnesiumoxid 4 – 5 0,65 0,35 17 340 

Kalzit 3 0,68 0,32 10 300 

Tabelle 7.2: Verdichtungsparameter gemäß Gl.( 7.28) für verschiedene Stoffe 

/8.15/ 

Für die Beschreibung der Festigkeit σ in Abhängigkeit vom Pressdruck p 

und der Packungsdichte ϕ d (≡ 1 - ε) ist folgende Modellgleichung vorgeschlagen 

worden /8.14/: 

max 

[ 1− 

exp( − κ ⋅ p ⋅ϕ 

)] 

σ = σ ⋅ 

. ( 7.29) 

d 

σ max 

κ 

maximal mögliche Festigkeit des Presslings 

stoffabhängige Presssuszeptibilität 

Die Festigkeit der Presslinge hängt auch von der Feuchte des Gutes ab. Im 

Allgemeinen durchläuft die Festigkeit in Abhängigkeit von der Feuchte ein 

Maximum. Mit wachsendem Pressdruck, d.h. auch mit zunehmender Verdichtung, 

verschiebt sich die Lage des Maximums nach niedrigeren Feuchten. 

Die Wirkung der Feuchte ist komplexer Natur (s. hierzu auch Abschn. 

6.1.2.2 M VT_e_6.doc - Feuchtigkeit_1). 

Aufgrund ihrer Schmierwirkung kann eine dichtere Packung erreicht wer- 

gleichbleibenden Bedingungen die Agglomeratfestigkeit erhöht /8.17/. Bei 

den. Schließlich können Flüssigkeitsbrücken zur Bindung beitragen. Weiterhin 

ist der Einfluss von Adsorptionsschichten und Wasserstoffbrückenbindungen 

zu berücksichtigen. 

Mit zunehmender Feinheit des zu agglomerierenden Gutes wird unter sonst 

der Pressagglomeration anorganischer Stoffe sollte die obere Partikelgröße 

1 mm nicht überschreiten. 


21.03.2011

449 

Normale Brikettierkohle bei der Braunkohlenbrikettierung ist d < 6 mm. 

Feinkornbriketts für die Braunkohlenverkokung werden aus Körnungen < 1 

bis < 2 mm erzeugt. 

Unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen Verdichtung sollte die Partikelgrößenverteilung 

etwa einer GGS-Verteilung gemäß Gl.(1.48) MVT_e- 

_1.doc - GGS mit dem Parameter k zwischen 1/2 und 1/3 gehorchen. 

Einen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit der Presslinge über die Art 

der Verpressung und vor allem die Pressgeschwindigkeit aus. Der im Auf- 

gabegut enthaltenen Luft muss ausreichend Zeit zum Entweichen gegeben 

werden. 

Die bei der Pressagglomeration aufgewendeten Pressdrücke liegen in Ab- 

von den Materialeigenschaften, der geforderten Festigkeit und 

hängigkeit 

der gewählten Ausrüstung im Bereich von einigen 10 MPa bis 1000 MPa, 

wobei in vielen Fällen Drücke zwischen etwa 50 und 200 MPa ausreichen. 

Eine bindemittellose Brikettierung gelingt nur, wenn das Gut über gewisse 

plastische Eigenschaften verfügt, wie dies z. B. bei der Braunkohle der Fall 

ist. 

Bindemittel (z. B. Kalk, Wasserglas, Bitumen, Stärke) erhöhen die Kohäsi- 

weitere Festigkeitssteigerung 

on im "grünen" Brikett und bewirken eine 

beim Lagern. 

Beim Heißbrikettieren kommt es bei den auftretenden hohen Drücken und 

Temperaturen bis zu 1000 °C zu 

- einer Plastizitätszunahme und 

- chemischen Aktivierung der Kontakte sowie 

- örtlicher Sintervorgänge, 

wodurch besonders feste Briketts entstehen. Wird das Gut vor der Pressagglomeration 

erhitzt, so kann der erforderliche Pressdruck gegebenenfalls 

erniedrigt werden. 

7.3.2 Ausrüstungen für die Pressagglomeration 

Die Ausrüstungen unterscheiden sich hinsichtlich der Verwirklichung der 

Verdichtung des Gutes. Aufgrund der in Folie 7.18 und Folie 7.19 dargestellten 

Wirkprinzipien lassen sie sich einteilen in: 

a) Stempel- und Tablettenpressen (Folie 7.18.1) 

b) Strang- und Lochpressen (Folie 7.18.2) 

c) Walzenpressen (Folie 7.19). 


21.03.2011

450 

7 .3.2.1 Stempel- und Tablettenpressen 

Die Pressagglomeration in der geschlossenen Form wird mit einem hin- und 

hergehenden Stempel durchgeführt. In den meisten Fällen werden Stempelpressen 

(Folie 7.18.1a) konstruktiv so gestaltet, dass die Verdichtung k 

k = V 0 /V V 

V 0 , V V Volumen des Pressgutes im unverdichteten bzw. verdichteten 

Zustand 

durch den Hub des Stempels (Exzenterantrieb) von der beginnenden bis zur 

maximalen Kompression vorgegeben ist und die Presskraft F max eine sich 

einstellende Größe ist. 

Man kann jedoch auch umgekehrt vorgehen und mit hydraulisch vorgege- 

arbeiten. Die Vorteile dieser Vorge- 

bener Presskraft und einer sich entsprechend der Gutmenge und dem Guteigenschaften 

einstellenden Verdichtung 

hensweise bestehen in der Möglichkeit 

- hohe Kompressionen zu erzielen und 

- dabei Presslinge mit guter Maßhaltigkeit in allen drei Achsrichtungen zu 

erhalten. 

Nachteilig ist die diskontinuierliche Arbeitsweise. 

Der Forderung nach hohen Ausstoßzahlen, die besonders für die Tablettenherstellung 

erforderlich sind, werden die Rundlauf-Tablettenpressen ge- 

recht (Folie 7.18.1b). Hierbei handelt es sich um mehrstempelige Anordnungen, 

wobei die Pressformen (Füllschuh) an einem drehbaren Tisch be- 

Verpressung ist eine Reihe 

festigt sind. Bei der weitgehend automatisierten 

von Variationen möglich: 

- z. B. Pressen nur mit Oberstempel, 

- Pressen mit Ober- und Unterstempel, 

- ein- und mehrstufiges Pressen (mit Vorverdichtung), 

- unterschiedliche Pressgeschwindigkeiten und 

- mehr oder weniger lange Pressdruckhaltezeiten. 

Das Pressgut wird über Einfülltrichter in die Pressform eingegeben. Die 

fertigen Tabletten werden 

- durch Oberstempel in Pressrichtung oder 

- durch einen Gegenstempel in entgegengesetzter Richtung 

ausgestoßen. Moderne Hochleistungspressen erreichen Ausstöße bis 10.000 

Tabletten/min. 


21.03.2011

451 

7.3.2.2 Strang- und Lochpressen 

Bei diesem Wirkprinzip wird das Gut durch einen Formkanal gepresst, so 

dass zunächst ein Strang entsteht. Je nachdem, ob die Presskraft mittels 

- Stempel (Stempel-Strangpresse), 

- einer Schnecke (Schneckenpresse) oder 

- einer Presswalze (Lochpresse) 

erzeugt wird, ist das Pressgut dem Formkanal intermittierend oder kontinuierlich 

zuzuleiten (Folie 7.18.2). Bei letzteren ist der Strang am Austragsende 

in Formlinge zu zerlegen, während er bei ersteren meist von selbst in 

Briketts zerfällt. 

Stempelstrangpressen (Folie 7.18.2a, Folie 7.20, Folie 7.21) werden vorzugsweise 

für die Brikettierung von Braunkohlen und Torf eingesetzt. 

Hauptmerkmal sind der waagerechte offene Formkanal und der darin ab- 

vorgetriebene und zurückgezogene Stempel. Beim Rückhub des 

wechselnd 

Stempels fällt das Pressgut in die Form, und es wird beim Vorhub gegen die 

bereits gebildeten Briketts gedrückt und verdichtet. Das Brikett entsteht 

somit in einer Formkammer, die von 

- den Seitenwandungen, 

- der Schlagfläche des zuletzt gebildeten Briketts und von 

- der Stempelschlagfläche 

gebildet wird. Erst wenn der erforderliche Pressdruck erreicht ist, darf der 

Brikettstrang weichen, d.h. sich um eine Brikettdicke verschieben. Gewöhnlich 

genügen der Strangwiderstand und die Reibung des in der Pressform 

befindlichen Strangteils nicht, um den notwendigen Pressdruck zu erzielen. 

Deshalb ist die Form mit einer Verengung - dem sogenannten Buckel - 

versehen, mit dessen Hilfe das schon gebildete Brikett genügend verdichtet 

werden kann. Im Stempelstrangpressen können Pressdrücke von etwa 60 bis 

140 MPa realisiert werden. Man betreibt sie im Allgemeinen im Drehzahlbereich 

von 60 bis 120 min -1 in Abhängigkeit von der Brikettierbarkeit der 

Braunkohle und den Anforderung an die Brikettgüte. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal 

folgt aus der Zahl der in einer Presse arbeitenden Stempel. 

Die Stempelschlagflächen liegen in Abhängigkeit vom Brikettformat 

etwa zwischen 100 und 200 cm 2 . 

In Schneckenpressen (Vakuumstrangpressen, siehe auch Extruder) (Folie 

7.18.2b) wird die Verdichtung von einer Schnecke kontinuierlich hervorge- 


21.03.2011

452 

bracht, wobei die Steigung des Schneckengewindes entweder konstant ist 

oder in Förderrichtung abnimmt. Da nur relativ niedrige Pressdrücke erzielt 

werden, kommen Schneckenpressen (bzw. Extruder) vorwiegend bei leicht 

agglomerierbaren, plastischen Produkten zum Einsatz. Ein Mundstück am 

Formkanalende gestattet, einerseits bestimmte Formen herzustellen, andererseits 

beeinflusst es den für die Verdichtung nötigen Widerstand. Mit Hilfe 

von Schneidvorrichtungen werden die austretenden Stränge in Formlinge 

zerschnitten. 

Lochwalzenpressen (Folie 7.18.2c-g) stellen eine Kombination von Walz- 

dar /8.20/. Das Pressgut wird zunächst in 

druck- und Strangpressprinzip 

einen Walzenspalt eingezogen, dann aber in Abwandlung des Walzdruck- 

zueinander versetzt abrollen 

prinzips durch Bohrungen der holen Walzen gepresst. Da die Verdichtung 

durch den Strangwiderstand in der Bohrung begrenzt wird, sind diese Maschinen 

folgerichtig den Strangpressen zuzuordnen. Verfügen bei Doppelwalzen-Lochpressen 

beide Walzen über Lochformen, so muss gewährleistet 

bleiben, dass die Bohrungen der Walzen 

(Folie 7.18.2e). Die Anforderungen an den synchronen Lauf der Walzen 

werden noch höher, wenn die Mantelflächen zahnradförmig ausgebildet sind 

(Folie 7.18.2g). 

In den Fällen, in denen der Kanalwiderstand der Bohrungen nicht zur Ausbildung 

hinreichend fester Formlinge ausreicht, benutzt man Lochformen, 

die sich in Transportrichtung des gepressten Gutes verengen. Handelt es 

sich um stark elastische Güter, so müssen die Bohrungen am Ausgang mit 

Erweiterungen ausgeführt werden (Abbau innerer Druckspannungen die 

zum Zerreißen der Presslinge führen können). 

Lochpressen haben sich besonders für leicht agglomerierbare Stoffe wie 

Futtermittel eingeführt. Die Formlinge werden durch Messer abgestreift 

und weisen Durchmesser von ca. 1 bis 20 mm auf. 

7.3.2.3 Walzenpressen 

Bei dem Walzdruckprinzip (Folie 7.19.1) wird die Verdichtung durch 

Druckkräfte erzeugt, die im Spalt zwischen zwei Walzen bzw. einer Walze 

und einer ebenen oder gekrümmten Fläche auftreten /8.22/: die erzielbare 

Verdichtung ist hierbei eine Größe, die wesentlich durch die Einzugsverhältnisse 

am Walzenspalt bestimmt wird. 


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Bei den Walzenpressen erfolgt die Verdichtung im Spalt zweiter gegenläufig 

rotierender Walzen. Die Walzenoberflächen sind entweder glatt bzw. 

profiliert (geriffelt, gewellt, gewaffelt) oder mit Formmulden ausgestattet. 

Im ersten Fall (Folie 7.19.1a) ist das Agglomerationsprodukt gewöhnlich 

ein aus dem Walzenspalt austretender bandartiger Strang (Schülpe), der 

anschließend zerkleinert und klassiert werden muss. Eine vorhandene Profilierung 

dient hier vor allem der Verbesserung der Einzugsverhältnisse in 

den Walzenspalt. 

Im zweiten Fall (Folie 7.19.1b,c) entstehen Formlinge (Briketts). 

Der Verdichtungsprozess auf einer Walzenpresse soll anhand Folie 7.19.2 

beschrieben werden. Unter dem Einfluss der Schwerkraft und noch vielfach 

unter dem Druck einer Verdichtungsschnecke (siehe auch Folie 7.18.2) so- 

wird das Gut in den Walzen- 

wie der Reibungskraft der rotierenden Walzen 

spalt eingezogen und dort agglomeriert. Der Gesamtprozess lässt sich in die 

Teilprozesse oder -bereiche aufgliedern, und zwar in den 

- Einzugsbereich, 

- Verdichtungsbereich und 

- Entlastungsbereich. 

α 0 in Folie 7.19.2 stellt den Aufgabewinkel dar, der mit dem halben Ein- 

übereinstimmen sollte (siehe auch Abschnitt 2.6.2 

zugswinkel des Gutes 

MVT_e_2.doc - Einzug). Im Einzugsbereich herrschen Umorientierungen 

der Partikeln vor. α E kennzeichnet den Eintritt in den Verdichtungsbereich. 

Hier dominieren elastische und plastische Verformungen. Im letzten 

Teil der Verdichtung stellt man in Abhängigkeit von den Guteigenschaften 

entweder vorwiegend plastische Verformung oder auch Bruchvorgänge 

der Partikeln fest. 

Beim Grenzwinkel α g ändert sich die Richtung der Reibungskraft. Man bezeichnet 

die Zone zwischen α 0 und α g als Nacheilzone, weil hier die Gutbewegung 

der Walzenbewegung nacheilt. Daran schließt sich die Voreilzone 

an. α V stellt den elastischen Verformungswinkel der Walzen dar. Aus der 

elastischen Rückdehnung beim Austritt aus dem Walzenspalt folgt, dass 

die Schülpendicke s 2 größer als die Spaltweite s 1 ist. 

Das Prozessergebnis wird bestimmt von den Eigenschaften des 

- Aufgabegutes 

* Partikelgrößen- und Partikelformverteilung, 

* elastisch-plastisches Verhalten, 

* Fließeigenschaften, 


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* Entlüftungsverhalten 

und weiterhin von einigen Maschinen- bzw. Prozessparametern. Zu letzteren 

zählen zunächst 

- der Walzendurchmesser, 

- die Walzkraft oder 

- die Spaltweite und 

- der Vorverdichtungsdruck. 

Die Walzendurchmesser betrieblich eingesetzter Pressen liegen etwa im 

Bereich von 300 bis 1400 mm, die Walzenbreiten zwischen 200 und 1500 

mm. Die auf die Walzenbreite bezogenen Presskräfte - zweckmäßig Linienkräfte 

- liegen für anorganische Stoffe vor allem im Bereich 4 bis 20 

MN/m. 

Durch Vorverdichtung mittels speziell gestalteter Verdichtungsschnecken 

wird ein Teil der Verdichtungsarbeit vor dem Walzenspalt geleistet. 

Dies ermöglicht die Anwendung kleinerer Walzendurchmesser und führt zu 

wirtschaftlicheren Pressengrößen. 

Eine weitere wichtige Einflussgröße ist die Walzendrehzahl bzw. die Walzenumfangsgeschwindigkeit. 

Letztere liegt etwa zwischen 0,2 und 1,6 m/s. 

Bei zu hoher Geschwindigkeit behindert die Gegenströmung der aus den 

Poren verdrängten Luft die gleichmäßige Gutzufuhr in den Walzenspalt. 

Auch im Hinblick auf das Beherrschen der Entlüftung hat sich die Vorverdichtung 

bewährt. 

Wichtig ist eine gleichmäßige und kontinuierliche Zufuhr des Pressgutes. 

Bei gut rieselfähigem Material kann ein Fülltrichter mit Mengensteuerung 

genügen. Der Gutfluss kann durch einen angebauten Vibrator unterstützt 

werden (Folie 7.19.3a). Überwiegend werden heute aber Füll- bzw. 

Vorverdichtschnecken angewendet (Folie 7.19.3b). Im Allgemeinen sind 

mehrere drehzahlregelbare Schnecken über dem Walzenspalt angeordnet. 

Werden auf Walzenpressen Schülpen erzeugt, so sind diese im Anschluss 

mit möglichst hohem Ausbringen an den erwünschten Partikelgrößenklassen 

zu zerkleinern und klassieren. Das Feingut gelangt dann zurück 

zur Presse. 

Ringwalzenpressen (Folie 7.19.1c) bestehen im Wesentlichen aus einem 

Ring, der auf Stützrollen läuft, und einer exzentrisch innerhalb des Ringes 

angeordneten Presswalze mit wesentlich kleinerem Durchmesser. Der Ring 

besitzt eine Formrille. Das Aufgabegut wird aufgrund der gleichen Drehrichtung 

und Umlaufgeschwindigkeit von Nutenring und Presswalze in de- 


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ren Spalt eingezogen und zu einem Strang verdichtet. Mit Hilfe von Zähnen 

auf der Walze erfolgt die Trennung des Stranges in Briketts, die abgehoben 

und ausgetragen werden. (Folie 7.22) 

7.4 4BSchwerpunkte und Kompetenzen 

Anhand dieser Schwerpunkte können Sie Ihr Wissen und Ihre verfahrenstechnischen 

Kompetenzen überprüfen: 

• Prozessziele: 

Prozessziele und Wirkprinzipien der Agglomeration; 

• Physikalische Grundlagen, Mikroprozesse und Produktbewertung: 

Partikelhaftkräfte, Agglomeratfestigkeit, Beanspruchungsarten und 

Messmethoden zur Bewertung der Produktqualität, Kompressibilität 

und Verpressbarkeit kohäsiver Pulver; 

• Prozessauslegung: 

Aufbau, Wirkprinzipien, Prozessauslegung, Maschinenparameter 

sowie Einsatzgebiete ausgewählter Maschinen (Pelletierteller und - 

trommel, Stempel- und Tablettenpresse, Walzenpresse). 


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Partikelagglomeration - Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik

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