Partikeltechnologie at Universität Bremen

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Zementherstellung

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Bayer-Verfahren

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Kalzinierung
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Monodispers - Polydispers

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Grobpartikel, Feinpartikel, Ultrafein-/Nanopartikel

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Coulter-Zähler

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BET-Messung
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Was ist bei einer Probenentnahme wichtig?

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Worauf muss bei der experimentellen Bestimmung des Druckverlustes geachtet werden?

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Square-Cube-Law

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Unterteilung Van-der-Waals-Kräfte
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Induzierter Dipol

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Partikeltechnologie

Zementherstellung
  1. Abbau von Mergel und Kalk im Steinbruch (Sprengen, Schrammeinrichtungen, Schaufeln), d < 1m
  2. Zerkleinern in Brechern, ca. d<25 mm; Lagerung in Mischbetten: Vorhomogenisierung
  3. Mahlen in Mahltrockenanlage mit heissem Abgas in Walzenschüssel- oder Rohrkugelmühlen, d<100 microm
  4. Teilfluidisieren, Homogenisieren: vorgetrocknetes, gut fließfähiges Rohmehl wird in Homogenisiersilos und mit Luft teilfluidisiert und homogenisiert, um Schwankungen der Zusammensetzung auszugleichen
  5. Entwässerung in mehrstufigem Suspensionswärmetauscher
  6. Entsäuerung im Vorkalzinator: CaCo3 wird durch direkten Kontakt mit Verbrennungsgas/Feststoff zu CaO und CO2
  7. Restentsäuerung, exotherme Festkörperreaktion von CaO, SiO2 und Al2O3 zum Zement im Drehrohr-Brennofen, d = ca 100microm
  8. Abkühlung; Homogenisierung im Klinkersilo oder -lager
  9. Beigabe von Gips; Mahlen (<50microm); homogenisieren

Partikeltechnologie

Bayer-Verfahren
Gewinnung von Tonerde aus Bauxit (Aluminiumerz)
  1. Vorzerkleinerung
  2. Mahlung und chemischer Voraufschluss des Al2O3s unter Druck- und Temperaturerhöhung zu Na-Aluminatlauge
  3. Entspannung mit Rückgewinnung der Verdampfungswärme
  4. Abtrennung grober und feiner Begleitstoffe (Sand, Rotschlamm) in fest/flüssig-Trennstufen (Hydrozyklon, Eindicker, Waschstufe, Rechenklassierer, Paddelwäscher, Vakuumtrommelfilter, Zentrifuge)
  5. Feinreinigung der Aluminatlauge im Kelly-Filter
  6. Übersättigung der Aluminatlauge zu Al(OH)3, Auskristallisation
  7. Entwässerung des Al(OH)3s bei 900-1000°C in Kalziniersystem, so dass technisch reines Al2O3 (Tonerde) entsteht, weißes Pulver

Partikeltechnologie

Kalzinierung
Läuft meistens in einem Wirbelschichtsystem ab, bei dem feinteilige Feststoffe in heißen Verbrennungsgasen suspendiert werden

Partikeltechnologie

Monodispers - Polydispers
Monodispers: Ansammlung von Partikeln mit gleichen Eigenschaften
Polydispers: unterschiedliche Eigenschaften

Partikeltechnologie

Grobpartikel, Feinpartikel, Ultrafein-/Nanopartikel
Grobpartikel: > 1 microm
Feinpartikel: < 1 microm
Ultrafein-/Nanopartikel: < 100 nm

Partikeltechnologie

Coulter-Zähler
Messgerät zur Bestimmung der Anzahl von Partikeln in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit
Kondensator mit einem Stoff dazwischen, der eine Dielektrizitätskonstante hat;
Partikel kommen dazwischen, die eine andere Dielektrizitätskonstante haben und das Signal damit verändern;
Aus Signal lässt sich Partikelgröße bestimmen

Partikeltechnologie

BET-Messung
Analyseverfahren zur Größenbestimmung mittels Gasadsorption
1. Vakuum -> alle anderen Moleküle weg
2. Adsorptives Gas (meist Stickstoff, Krypton wäre genauer, aber teurer)
3. Druckmessung
Adsorbtion der Stickstoffmoleküle an den Partikeln, adsorbierte Moleküle tragen nicht zu Druckanstieg bei
Über Druckmessung lässt sich Anzahl adsorbierter Moleküle bestimmen, mit deren Größe dann die spezifische Partikeloberfläche

Partikeltechnologie

Was ist bei einer Probenentnahme wichtig?
- Je kleiner die Probenmenge, desto sorgfältiger muss entnommen werden
- Partikel müssen in Bewegung sein
- homogene Entnahme aus gesamtem Querschnitt der Strömung

Partikeltechnologie

Worauf muss bei der experimentellen Bestimmung des Druckverlustes geachtet werden?
Es müssen ausreichend viele Partikel im Querschnitt und über die Messhöhe vorhanden sein: D_Rohr, H > 10d_p
Grund: Porösität nimmt in Wandnähe zu, wodurch der Druckverlust kleiner ist und zu große Ungleichverteilungen des Volumenstroms über den Gesamtquerschnitt entstehen

Partikeltechnologie

Square-Cube-Law
Verhältnis von Oberfläche zu Volumen hängt von Größe ab
Je kleiner das Partikel, desto wichtiger werden Oberflächenlräfte und desto unwichtiger werden Gravitationskräfte

Partikeltechnologie

Unterteilung Van-der-Waals-Kräfte
London-Kräfte: zwischen zwei polarisierbaren Molekülen (induzierter Dipol)
Keesom-Wechselwirkung: zwischen zwei Dipolen
Debye-Wechselwirkung: zwischen Dipol und polarisierbarem Molekül

Partikeltechnologie

Induzierter Dipol
Ein Dipol induziert in einem Molekül auch einen Dipol

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