Bildung und Wachstumvon FeststoffbrückenUlrich Bröckel*, Michael Wahl, Roman Kirsch, Hermann J. Feise

Während der Lagerung oder dem Transport von Schüttgütern zum Kunden kommt es häu-

fig zu Verfestigungen und Verbackungen. Um die Bildung und das Wachstum von Fest-

stoffbrücken zwischen zwei Partikeln zu untersuchen, werden die Änderungen in der Kon-

taktregion der beiden Partikel während der Lagerung in einem Klimaschrank beobachtet.

Der Einfluss der Parameter Lagerdruck, Temperatur, relative Luftfeuchte und Lagerzeit auf

die Bildung einer Brücke werden analysiert. Ziel ist es, die Bildung und das Wachstum von

Feststoffbrücken unter realen Lagerbedingungen zu beschreiben.

1 Hintergrund

In vielen Industriezweigen spielen Schüttgütereine wichtige Rolle. Nach DuPont produziertdie chemische, pharmazeutische und Lebens-mittelindustrie jährlich etwa 300 000 TonnenSchüttgut pro Unternehmen pro Jahr. Wäh-rend dem Transport oder der Lagerung kommtes in Schüttgütern häufig zu Klumpenbildung,oder sie verfestigen vollständig [1]. Die De-agglomeration des Produktes erfordert Zeit,Arbeitskraft und Equipment, wodurch zusätz-liche Kosten für den Endverbraucher entste-hen.

Verbackungen resultieren aus interpartiku-lären Kräften, die unter der Einwirkung vonFeuchtigkeit, Temperatur, Lagerzeit und Lager-druck verstärkt werden können. Bekannte Me-chanismen der Verbackung sind:� Flüssigkeitsbrückenbildung,� Desublimation,� Rekristallisation,� Kohäsion,� Sintern,� Deformation (Kriechen),� Adsorption von Feuchtigkeit.

Mikroskopische Prozesse, die an den Kon-taktpunkten zwischen Partikeln ablaufen, sindmesstechnisch nur sehr schwer zu erfassen.Die bekannten theoretischen Ansätze sind bis-lang einfach aufgebaut [2 – 4]. Unter der An-nahme, dass die Vorgänge, die zu einer Ver-festigung führen, bekannt sind, würde dieAnzahl der notwendigen Versuche zur Schütt-gutcharakterisierung abnehmen. Weiterhinließe sich die Arbeitszeit im Labor wie auchdie benötigte Menge an Versuchsmaterial re-duzieren.

Runge [5] hat in seinen Untersuchungen an5 mm großen Polymerpartikeln festgestellt,dass für viskoelastische Materialien das tempe-raturaktivierte Kriechen der dominante Mecha-

nismus für Verbackungen ist. Er versuchte,den Verbackungsprozess mit den Formeln vonRumpf [6] für Sintern und viskose Kontakt-stellendeformation zu beschreiben.

Mit Ausnahme von Runge legen alle Wis-senschaftler ihren Modellen individuelle Parti-kelkontakte zugrunde, verwenden jedoch dieErgebnisse aus Haufwerksversuchen.

Für ein grundlegendes Verständnis der Ent-stehung von Verbackungen ist es notwendig,sowohl das Verhalten diskreter Partikel alsauch deren Wechselwirkung im Haufwerk zuuntersuchen. Im vorliegenden Beitrag liegt derSchwerpunkt der Untersuchungen auf derWechselwirkung diskreter Partikel unter defi-nierten Bedingungen.

2 Versuchsaufbau

Zur genauen Beschreibung von Änderungenin der Kontaktregion zwischen zwei Partikelnwurde ein spezieller Versuchsaufbau (s. Abb.1) entwickelt. Es können Partikelgrößen von500 lm bis 5 mm untersucht werden. Mit die-sem „Device to Apply Pressure on Particles“(DAPP) (s. Abb. 1, unten) ist es möglich, wäh-rend der Lagerung eine Kraft auf die zwei Par-tikel zu applizieren, die einem realen Lager-druck, z. B. in einer bestimmten Ebene, einesBig-Bags entspricht.

Auf jeden Stift des DAPPs wird ein Partikelmit einem Klebstoff fixiert. Ein Stift ist durchein Festlager fixiert, der andere wird durch einLoslager geführt. Die horizontale Position desHebelarms wird durch eine Justierung desStiftes im Festlager gewährleistet. Ein Gewichtder Masse m am Haken des Hebelarmes er-zeugt eine Kraft FG, die im Kontaktbereich derPartikel in einer Kraft FH resultiert.

Die horizontale Kraft FH wird auf der Grund-lage der Rumpf-Formel [6] berechnet (Gl. (1)):

Während demTransport oderder Lagerungkommt es inSchüttgüternhäufig zu Klumpen-bildung, odersie verfestigenvollständig.

In Untersuchungenan 5 mm großenPolymerpartikelnwurde festgestellt,dass für viskoelas-tische Materialiendas temperaturakti-vierte Kriechen derdominante Mecha-nismus für Verback-ungen ist.

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DOI: 10.1002/cite.200600032

r � 1 � ee

FH

x2 � FH � r x2 e1 � e

(1)

Dabei ist e die Porosität im Haufwerk und xder mittlere Partikeldurchmesser der im Ver-such verwendeten Partikel. Die Kraft FG ergibtsich aus der berechneten Kraft FH, dem Hebel-verhältnis RHebel und der Reibung FB im Los-lager:

FG = m g = (FH + FB) RHebel (2)

Die Reibungskraft FB wird für jeden DAPPnach jeder Versuchsreihe erneut gemessen.Mit den Gln. (1) und (2) lässt sich die Masse mfür jede gewünschte Belastung wie folgt be-rechnen:

m � �FH � FB�RHebel

g(3)

Der Partikelhalter wird nach Einkleben derPartikel und Auflegen des Gewichtes in einemKlimaschrank bei definierter Feuchtigkeit undTemperatur eine bestimmte Zeit gelagert. Da-mit ist die Möglichkeit gegeben, den Einflussder Parameter auf die Bildung von interparti-kulären Brücken zu beschreiben. Nach der La-gerung werden die Veränderungen in der Kon-taktregion zwischen den Partikeln gemessen.Hierfür werden mit einer CCD-Kamera odereinem Laser-Scanning-Mikroskop Aufnahmenvor und nach der Lagerung gemacht (s. Abb. 1,oben). Um die notwendige Kraft zur Zerstö-rung der Brücke zu messen, wird der DAPPauf einem Verstelltisch befestigt. Der beweg-liche Stift wird mit einem Kraftsensor verbun-den, und ein Schrittmotor zieht die Stifte biszum Bruch der Brücke auseinander. Erfasstwird jeweils das Maximum der Kraft.

3 Bildung und Wachstumeiner Brücke

In diesem Abschnitt werden die Bildung unddas Wachstum von Brücken unter Beachtungder Verbackungsmechanismen beschrieben.Es ist zu erwarten, dass die relative Luftfeuch-tigkeit einen wesentlichen Einfluss auf salz-artige und hygroskopische Stoffe ausübt. DerEinfluss von Lagerzeit und Lagerdruck auf dasVerbackungsverhalten überlappt sich mit denangenommenen Haupteinflüssen.

NPK-DüngemittelgranulateAuf dem Düngemittelmarkt existiert eine Viel-zahl von NPK-Düngern, die sich hinsichtlichihrer Zusammensetzung und Herstellung un-terscheiden. Sie bestehen im Wesentlichen auseiner Mischung von Kalium-, Phosphat- undstickstoffhaltigen Salzen. Für die Versuche

Abbildung 1. Versuchsaufbau zur Analyse der Brückenbildung an Zwei-Partikel-Systemen.

Abbildung 2. NPK-Partikel vor und nach der Lagerung imKlimaschrank.

Schüttgüter 735Chemie Ingenieur Technik 2006, 78, No. 6

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werden Düngemittelgranulate ohne Oberflä-chenbehandlung verwendet. Abb. 2 zeigt dieBrückenbildung zwischen zwei 2-mm-NPK-Granulaten nach der Lagerung im Klima-schrank.

Die Bilder auf der linken Seite von Abb. 2zeigen die Partikel zu Beginn des Versuches.Die rechten Bilder zeigen die Zwei-Partikel-Systeme nach einer Lagerzeit von 15 bzw. 240Minuten. In der oberen Bildreihe wirkt einerelative Feuchtigkeit von 85 % auf die Partikelein. Bereits nach 15 Minuten bildet sich einedeutlich zu erkennende Flüssigkeitsbrückezwischen den Partikeln aus. Werden die Parti-kel bei 60 % relativer Luftfeuchte gelagert, bil-det sich innerhalb von vier Stunden nur einevergleichsweise kleine Brücke aus.

Wird die Temperatur variiert, ändert sich derDurchmesser der Brücke nur wenig. Die Fes-tigkeit der Brücke steigt aber signifikant an(s. Abb. 3).

EnzymgranulateFür Enzymgranulate konnte eine starke Ab-hängigkeit der Brückenbildung von der Luft-feuchte nachgewiesen werden. Abb. 4 zeigt einBeispiel für die Brückenbildung zwischen zweiEnzymgranulaten (1 mm) in vier StundenLagerzeit bei 25 °C, 81 % relativer Luftfeuchteund äquivalentem Lagerdruck von 7500 Pa.

Nach der Lagerung ist eine Brücke miteinem Durchmesser von 600 lm entstanden.In Abb. 5 sind der Brückendurchmesser unddie gemessene Zugkraft über der relativenLuftfeuchtigkeit aufgetragen. Die Versuchewurden für Granulate mit Partikeldurchmes-ser 1 mm, bei 30 °C, vier Stunden Lagerzeitund einem äquivalenten Lagerdruck von7500 Pa durchgeführt. Wie in Abb. 5 zu sehenist, bleibt der Durchmesser für Luftfeuchtenunter 80 % nahezu konstant. Eine Erhöhungder Luftfeuchte von 80 % auf 83 % verdoppeltden Brückendurchmesser auf 850 lm.

Die Zugfestigkeit der Brücke zeigt mit stei-gender Luftfeuchte einen vergleichbarenAnstieg. Unter einer Luftfeuchte von 80 % istkeine Zugkraft messbar. Zugkräfte von 350 mNbei 80 % relative Feuchte und 450 mN bei 85 %relative Feuchte stehen für eine stabile Brücke.Der Grund für den plötzlichen Anstieg desBrückendurchmessers ist in der Sorptionsiso-therme für dieses Material zu finden (s. Tab.1). Nach den Werten aus Tab. 1 zeigen die En-zymgranulate ein typisches Salzverhalten miteinem starken Anstieg der Wasserbeladung abeiner Feuchte von 90 %.

Bei einer Temperatur von 35 °C bleibt dieWasserbeladung für relative Feuchten bis ca.75 % auf einem geringen Niveau, um danachstark anzusteigen. Über einer relativen Luft-

Abbildung 3. Zugfestigkeit einer Brücke zwischen NPK-Partikeln in Abhängigkeitder Temperatur.

Abbildung 4. Enzymgranulate vor und nach der Lagerung im Klimaschrank.

Abbildung 5. Einfluss der relativen Luftfeuchte auf Brückendurch-messer und Zugkraft bei Enzymgranulaten.

r. H. / % 11 30 48 75 90 93

X / % 1,8 2,4 3,0 8,2 62,2 184,2

Tabelle 1. Werte der Sorptionsisotherme von Enzymgranulaten bei 35 °C.

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feuchtigkeit von 75 % wird Wasser in signifikan-ten Mengen adsorbiert, und eine Flüssigkeits-brücke wird ausgebildet. Es ist zu erwarten,dass die Werte der Sorptionsisotherme für 30°C ähnlich den Werten aus Tab. 1 sind; Mes-sungen hierfür liegen nicht vor. Dass dasSorptionsverhalten die Verbackung von Schütt-gütern beeinflusst, ist allgemein bekannt [7].Im Falle der Enzymgranulate sind die Ergeb-nisse im Einklang mit den Werten der Sorpti-onsisotherme. Ein Verbacken dieses Materialswird sich bei Lagerung unterhalb einer relati-ven Luftfeuchte von 80 % vermeiden lassen.

HarnstoffUntersuchungen an Harnstoffpartikeln unter-stützen die These, dass Verbackungen durchFeuchtigkeits- und Temperatureinfluss aus-gelöst werden. Der Lagerdruck hatte hingegennur einen untergeordneten Einfluss. Die Sorp-tionsisotherme (25 °C) für Harnstoff (s. Tab. 2)zeigt ebenfalls ein salzartiges Verhalten.

Bis zu einer Luftfeuchte von 76 % wird nursehr wenig Wasser adsorbiert. Bei höherenLuftfeuchten steigt die Wassermenge stark an.Als Ergebnis zahlreicher Versuche mit Harn-stoffpartikeln konnte das in Abb. 6 gezeigteZustandsdiagramm erstellt werden.

Die Aussage dieses Diagramms stimmt mitdem Verlauf der Sorptionsisotherme für 25 °C(s. Tab. 2) überein. Bei einer Temperatur von25 °C findet unterhalb von 76 % relativer Luft-feuchte Verbackung statt, während für höhereLuftfeuchten die Partikel beginnen, in Lösungzu gehen.

Im Diagramm befindet sich der Bereich„Keine Verbackung“ in der linken unterenEcke. „Keine Verbackung“ steht dafür, dassnach der Lagerung keine signifikante Zugkraftgemessen werden kann. „Verbackung“ findetin einem ca. 10 % breiten Feuchtigkeitsbandbei Temperaturen zwischen 20 °C und 50 °Cstatt. Die Harnstoffpartikel gehen in Lösung,wenn die Grenze des Bereiches „Verbackung“durch Erhöhen der Luftfeuchte oder der Tem-peratur überschritten wird. Das Diagrammmacht deutlich, welche Kombinationen vomTemperatur und relativer Luftfeuchte zu einemVerbacken von Harnstoff führen. Durch Lage-rung bei Umgebungsbedingungen aus demBereich „Keine Verbackung“ ist ein frei flie-ßendes Produkt gewährleistet.

4 Zusammenfassung

Es wurden Untersuchungen zur Brücken-bildung und der Zugfestigkeit von Feststoff-brücken zwischen Partikeln durchgeführt. MitHilfe eines neu entwickelten Versuchsstandes

konnten die geometrischen Änderungen inder Kontaktregion zwischen zwei diskretenPartikeln sowie die Festigkeit der Brücke be-stimmt werden.

Ein Zustandsdiagramm, wie hier für Harn-stoff vorgestellt, ist hilfreich bei der Hand-habung und dem Transport von Schüttgütern.Mit diesen Kenntnissen können Lager- undTransportbedingungen vermieden werden, diezu Verbackung führen.

Die Messungen der Bildung und des Wachs-tums von interpartikulären Brücken unter rea-len Lagerungbedingungen können als Grund-lage für weitere Untersuchungen sowie einerModellentwicklung für das Verbackungsver-halten von Schüttgütern angesehen werden.

Diese Arbeit entstand im Rahmen desgemeinschaftlichen Forschungsprojektes„Consumer Oriented Solids TransportTechnology (COSTT)“ [9 – 13]. Die Auto-ren danken der Europäischen Union fürdie Finanzierung des COSTT-Projektesinnerhalb des Forschungsprogramms„Competitive and Sustainable Growth“.

Eingegangen am 3. März 2006

Formelzeichen

FB [N] ReibungskraftFG [N] GewichtskraftFH [N] Haftkraftg [m/s] Erdbeschleunigung

Abbildung 6. Zustandsdiagramm für Harnstoff.

r. H. / % 12 33 53 76 92 97

X / % 0,09 0,11 0,11 0,67 49,37 58,5

Tabelle 2. Werte der Sorptionsisotherme für Harnstoff bei 25 °C [8].

Ein Zustandsdia-gramm ist hilfreichbei der Hand-habung und demTransport vonSchüttgütern.

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m [kg] MasseRTorsion [–] Hebelverhältnisx [mm] Partikeldurchmessere [–] Porosität im Haufwerkr [N/m2] Zugfestigkeit im HaufwerkDAPP Device to Apply Pressure on

Particles

Prof. Dr.-Ing. U. Bröckel(u.broeckel@umwelt-campus.de),Dr.-Ing. M. Wahl,Dipl.-Ing. (FH) R. Kirsch,FH Trier, Institut für Mikroverfahrenstechnik undPartikeltechnologie, Umwelt- Campus Birkenfeld,Postfach 1380, D-55761 Birkenfeld, Germany;Dr. H. J. Feise,BASF Aktiengesellschaft, GCT/T – L540,D-67056 Ludwigshafen, Germany.

Literatur

[1] J. Runge, Schüttgut 1995, 3, 473.[2] The British Sulphur Corporation, Nitrogen

1972, 39.[3] J. Visser, Powder Technol. 1989, 58, 1.[4] J. Runge, Thesis, Fakultät für Maschinenbau

und Elektrotechnik, TU Braunschweig 1995.[5] J. Runge, Schüttgut 1996, 2 (4), 565.[6] H. Rumpf, Chem. Ing. Tech. 1970, 42 (8), 538.

DOI : 10.1002/cite.330420806[7] Transportation Informations Service, TIS,

Berlin 2006. http://www.tis-gdv.de/tis_e/misc/hygro.htm#def

[8] BASF AG, persönl. Mitteilung, 2004.[9] M. Wahl et al., Chem. Eng. Technol. 2006, 29 (6),

674. DOI 10.1002/ceat.200600067[10] M. Röck, M. Ostendorf, J. Schwedes, Chem.

Eng. Technol. 2006, 29 (6), 679. DOI: 10.1002/ceat.200600068

[11] B. Weigl et al., Chem. Eng. Technol. 2006, 29 (6),686. DOI: 10.1002/ceat.200600083

[12] M. Wahl, R. Kirsch, U. Bröckel, H. J. Feise,Chem. Eng. Technol. 2006, 29 (6), 691.DOI: 10.1002/ceat.200600066

[13] L. Brendel et al., Chem. Eng. Technol. 2006, sub-mitted. DOI: 10.1002/ceat.200600060

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