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Aufgaben und Ziele der Fachgruppe Agglomerations- und Schüttguttechnik

I. Bedeutung und Ziele

Es gibt nur wenige Zweige einer Volkswirtschaft, in der nicht in irgendeiner Form disperse Feststoffprodukte (Schüttgüter, Pulver, Nanopartikel) erzeugt, transportiert, umgeschlagen, gelagert, verfahrenstechnisch gewandelt, verarbeitet oder ver-braucht werden. Sowohl bei den wichtigsten mechanischen Prozessen, wie Trennen und Mischen, Zerkleinern und Agglomerieren, bei thermischen Prozessen, wie z.B. Kristallisieren, Fällen, Trocknen als auch bei den chemischen Partikelsynthesen müssen Feststoffe formuliert, gelagert, gefördert und dosiert werden. Das betrifft die chemische und pharmazeutische Industrie, Metallurgie, Glas-, Keramik- und Baustoffindustrie, Lebensmittelindustrie, Energiewirtschaft, Landwirtschaft sowie die Umweltschutz- und Recyclingtechnik, Werkstofftechnik, Biotechnik und selbst auch die elektronische Industrie. Die Anzahl der in einer hochentwickelten Volkswirtschaft als Rohstoffe, Hilfsstoffe, Zwischenprodukte und Fertigerzeugnisse vorkommenden Schüttgüter dürfte vielleicht Millionen erreichen. So berichtete J-C Chapentier, Präsident der Europäischen Föderation für Chemie-Ingenieur-Wesen 2001, dass 60% der Produkte der Chemischen Industrie als Partikel verkauft werden. Inzwischen wird sich deren Zahl noch weiter erhöht haben da entsprechend den Marktanforderungen immer speziellere Kundenwünsche zu befriedigen sind.

Bild 1: Blockfließbild und Bilanzsystem in der Partikeltechnik. Die roten Kreise kennzeichnen die Untersuchungsgegen¬stände des Fachausschusses „Agglomerations- und Schüttguttechnik“ innerhalb der Hauptprozesskette eines typischen Stoffwandlungsverfahrens.

Der Fachausschuss „Agglomerations- und Schüttguttechnik“ (AGG) beschäftigt sich mit der Modellierung, Simulation, verfahrenstechnischen (funktionelle) Gestaltung und Auslegung von Agglomerationsprozessen (einschließlich der Apparate und Maschinen), von Speichereinrichtungen (einschließlich deren peripherer Technik), Förder- und Dosiertechnik für disperse Feststoffe (Schüttgüter, Pulver, Nanopartikel), und zwar bevorzugt innerhalb (ggf. auch außerhalb) des Bilanzkreises eines typischen Stoffwandlungsverfahrens, wie es schematisch im Bild 1 dargestellt ist.

Der Fachausschuss „Agglomerations- und Schüttguttechnik“ versteht sich als inter-disziplinäres und prozessgebundenes Forum zur Diskussion von Forschungs- und Entwicklungsergebnissen, zum Austausch von praktischen Erfahrungen und zur Fortbildung sowie zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses. Er hat sich die Erforschung sowohl der physikalisch-chemischen Grundlagen der Agglomerati-onstechnik, der Produktgestaltung und -formulierung, des Lagerns, Förderns und Dosierens von dispersen Feststoffen als auch deren praktische Anwendungen in den Anlagen der stoffwandelnden Industrie zum Ziel gesetzt.

 

II. Schnittstellen zu anderen Gremien

Die Agglomerations- und Schüttguttechnik ist in einem hohen Maße integrativ und fachübergreifend ausgerichtet. Im zunehmenden Maße werden wesentliche Grundlagen sowohl von den Stoffwissenschaften, also der Physik, Chemie und Biologie als auch von den ingenieurwissenschaftlichen Fächern, wie technische Mechanik oder Strömungsmechanik, übernommen. So wundert es wohl kaum, dass intensive Wechselwirkungen mit anderen Fachausschüssen innerhalb der ProcessNet-Fach¬gemeinschaft „Partikeltechnik und Produktdesign“ und auch außerhalb dessen, z.B. mit der pharmazeutischen Technologie, aufgebaut wurden. Der Fachausschuss versucht diesem Umstand sowohl bei der Themenauswahl als auch durch gemeinsame Sitzungen mit anderen Fachausschüssen Rechnung zu tragen, z.B. mit der Partikelmesstechnik, Zerkleinerung und Klassierung, Lebensmittelverfahrenstechnik, Mecha¬nischen Flüssigkeitsabtrennung, Mehrphasenströmungen u.a.m.

Der zunehmenden europäischen Integration Rechnung tragend, verstärkt sich der Fachausschuss auch mit Mitgliedern aus den angrenzenden Staaten, d.h. Schweiz, Niederlande und Österreich.

 

 III. Arbeitsschwerpunkte

Im Folgenden werden stichpunktartig wesentliche Arbeitsfelder der Agglomerations- und Schüttguttechnik genannt, deren zunehmenden Integration in naher Zukunft große Bedeutung zukommt:

 

1. Aktuelle Themen der Agglomerationstechnik

  •  Auslegung von Prozessen (Apparaten, Maschinen), Prozessgruppen zur Pro-duktformulierung:
  • Aufbau- und Pressagglomeration, Partikelbeschichtung, Granulation in Wirbelschich¬ten, Trommel- oder Zwangsmischern; Auslegungstests, Maßstabsübertragung, Prozesskombinationen, Neu- und Weiterentwicklung von Apparaten, Prozessintegration, Mess- und Regelkonzepte;
  • Neue Methoden zur Beschreibung gekoppelter instationärer Prozesse:
  • Mengenbilanzen für verteilte Stoffparameter (Populationsbilanzen), Kopplung mit Impuls-, Kräfte- und Energiebilanzen, Prozesssimulationen mittels Diskrete-Elemente-Methode (DEM) und Fluiddynamik (CFD), Bewertung und Kalibrie-rung dieser Modelle mittels Auslegungstests;
  • Entwicklung von neuen Meßmethoden zur Charakterisierung der Produkteigen-schaften und der Prozessdynamik:
  • Kennzeichnung der Qualität disperser Feststoffprodukte, z.B. des Bruch- oder Abriebverhaltens von Granulaten, Entwicklung von Online-Messmethoden zur Kennzeichnung der Prozessdynamik für Regelkonzepte;
  • Mehrskalige Modelle zur Vorhersage und gezielten Einstellung der Produktei-genschaften:
  • Modellierung der Mikroprozesse (physiko-chemische Bindungsmechanismen, Aufbau und Zerfall der Agglomerate), Mikro-Makro-Übergänge für die Einbin-dung in Bilanzmodelle, siehe Bild 2; Kombination von DEM, CFD und neuen Meßmethoden zwecks Prozess- und Apparateauslegung;

 

Bild 2: Mehrskalenmodell der Pulver-, Partikel- und Molekülmechanik – Zusammenhang zwischen den Methoden der Konti¬nuumsmechanik (Stoffgesetze: i,j = f(i,j, vi,j), Bilanzsys-tem: Finite Elemente Methoden FEM), der Partikelmechanik (Stoffgesetze: Fi,j = f(i,j, vi,j, i,j), Bilanzsystem: Diskrete-Elemente-Methode DEM) und der Molekulardynamik (Fi,j = f(ai,j, vi,j, i,j); MD).

 

2. Aktuelle Themen der Schüttguttechnik

  • Funktionelle Auslegung von Apparaten und Maschinen zur Rohstoff- und Pro-duktlagerung, -förderung und -dosierung:
  • Auslegungstests, Neu- und Weiterentwicklung von Förder- und Dosiermaschinen (z.B. Vibrationsförderer), Austragshilfen und -geräte, Entwurf logistischer Transport- und Verteilungsketten;
  • Entwicklung von neuen Meßmethoden zur Charakterisierung der Produkteigen-schaften:
  • Kennzeichnung des mechanischen Verhaltens und der Eigenschaftsfunktionen disperser Feststoffe auf der makroskopischen Kontinuumsebene der Packungen (Elastizität, Fließfähigkeit, Kompressibilität, Dämpfungs-, Durchströmungs-, Fluidisier- oder Staubverhaltens, Adsorptionsverhalten und Wärmetransport in der Schüttung, Verhärtungen u.a.m.) und zunehmend auf der mikroskopischen Ebene der Partikelwechselwirkungen (z.B. sog. Atomkraftmikroskop AFM oder Particle Interaction Apparatus PIA);
  • Mehrskalige Modelle zur Vorhersage der mechanischen Produkteigenschaften und der Dynamik bei der Lagerung, Förderung und Dosierung:
  • Modellierung der Mikromechanik der Partikelhaftung (molekulare Bindungsme-chanismen, Wechselwirkungen und Kontaktmodelle), Mikro-Makro-Übergänge für die Einbindung in die Kontinuumsmechanik (FEM) der Partikelpackungen, siehe Bild 2; Simulation der pneumatischen Förderung durch Kombination von DEM und CFD;

 

IV. FuE-Schwerpunkte

Im Bereich der industriellen Partikeltechnik (z.B. Verfahrenstechnik, Werkstofftechnik, chemische und pharmazeutische Technologie, Lebensmitteltechnik) steht die gezielte, ökologisch verträgliche, energiesparende Produktion und Handhabung von dispersen Feststoffprodukten mit maßgeschneiderten physikalisch-chemischen Produkteigenschaften im Vordergrund. Dies beinhaltet Partikel aller Größen, die man grob in die Klassen Schüttgut (typische Partikelgröße etwa d > 100 µm), feindisperse (d < 100 µm), ultrafeine (hochdisperse, d < 10 µm) und nanodisperse (d < 100 nm) Pulver unterteilen kann. Dabei ist für den Fachausschuss „Agglomerations- und Schüttguttechnik“ insbesondere die Einstellung von Anwendungseigenschaften durch Veränderung der Struktur der Partikel etwa durch Zusammenlagern, Verpressen oder Beschichten und der Erhalt der eingestellten Eigenschaften während Transport und Lagerung von Interesse.

 

Neben der kontinuierlichen Weiterentwicklung der sog. „klassischen“, d. h. nachhaltigen Arbeitsfelder, beispielsweise in der Grundstoffindustrie oder im Bereich der Umwelt- und Recyclingtechnik, wird der zielgerichteten Erweiterung des Methodenvorrates große Aufmerksamkeit geschenkt, z.B. bezüglich der Handhabung von ultrafeinen bis nanodispersen Partikelsystemen in den z. Z. rasant wachsenden Spezialfeldern der Werkstoffwissenschaften (sog. „Hochtechnologie“). Diese gesunde Mischung zwischen „Klassik“ und „Moderne“ erlaubt es dem Fachausschuss, seine traditionell hohe Praxiswirksam¬keit zu erhalten und dennoch an der wissenschaftlichen Weiterentwicklung maßgeblich mitzuwirken.

 

 

 

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