Pulverbett
Ein Pulverbett ist eine ruhende oder bewegte Schüttung aus Pulverpartikeln in einem Behälter oder auf einer Fläche. Es entsteht, wenn sich die Partikel unter dem Einfluss der Schwerkraft zu einem Haufwerk anordnen. Ein Pulverbett kann offen zur Umgebung oder gasdicht abgeschlossen betrieben werden, zum Beispiel inertisiert. Es kann unter Umgebungsdruck, Überdruck oder Vakuum betrieben werden.
Die Partikel bilden dabei ein poröses Medium mit einer definierten Porosität. Durch die Hohlräume können Gase strömen. So kann Wärme übertragen werden. Zudem kann ein Stoffaustausch stattfinden.
ε = VHohlraum/ VGesamt
- VHohlraum ist das Volumen zwischen den Partikeln
- VGesamt ist das Gesamtvolumen des Pulverbettes
- ε ist die Porosität (Leervolumenanteil, dimensionslos)
In einem Pulverbett lassen sich zahlreiche verfahrenstechnische Operationen durchführen. Dazu zählen beispielsweise Mischen, Trocknen, Erwärmen, Kühlen, Reagieren, Agglomerieren oder Kalzinieren. Entscheidend ist, dass die Partikel als fließfähiges Schüttgut betrachtet werden können.
Pulverbette liegen in verfahrenstechnischen Anlagen in sehr unterschiedlicher Form vor. Beispiele sind Wirbelschichtapparate, Drehrohröfen, Silos mit pneumatischer Durchmischung, mechanische Pulvermischer, Vakuum-Mischtrockner und Beschichtungsanlagen. Bei additiven Fertigungsverfahren (Pulverbettfusion) muss das Pulverbett beispielsweise extrem homogen vorliegen.
In einer Wirbelschicht wird das Pulverbett durch einen Gasstrom von unten fluidisiert. Die Partikel schweben dann in einem quasi-flüssigen Zustand und erfahren sehr intensive Wärme- und Stoffübergänge. In Drehrohröfen wird das Pulverbett durch Rotation gemischt und über die Ofenlänge thermisch behandelt.
Makroskopisch lässt sich das Pulverbett über Stoff- und Energiebilanzen beschreiben. Die lokale Temperaturentwicklung kann zum Beispiel über eine Energiebilanz mit konvektivem und konduktivem Wärmeübergang modelliert werden. Die Durchströmung des porösen Betts kann näherungsweise mit Druckverlustgleichungen wie der Ergun-Gleichung erfasst werden.
Δp = L · [150·(1−ε)2/ ε3·μ·u/(dp)2+1,75 (1−ε)/ε3·ρf·u2/dp]
- Δp ist der Druckverlust über das Pulverbett
- L ist die Bettlänge bzw. Schütthöhe in Strömungsrichtung
- ε ist die Porosität des Betts (s. oben)
- μ ist die dynamische Viskosität des Fluids
- u ist die superficielle (scheinbare) Strömungsgeschwindigkeit
- dp ist der mittlere Partikeldurchmesser
- ρf ist die Dichte des strömenden Fluids
Ein wichtiges Verfahrensziel ist eine möglichst homogene Zustandsverteilung im Pulverbett. Temperatur, Feuchte, Zusammensetzung und Partikelstruktur sollten am Ende alle innerhalb enger Toleranzen liegen. Nur dann kann von einem homogenen Endprodukt gesprochen werden. Eine Pulverbehandlung gilt erst dann als abgeschlossen, wenn das Pulverbett ein solches Endprodukt darstellt.