Gut getrennt – thermisch und mechanisch
25 Feb 2019
Der Großteil aller Rohstoffe in der Natur und fast alle Produkte aus chemischen Reaktionen sind Stoffgemische. Zur weiteren Nutzbarmachung oder Verarbeitung werden diese Gemische durch thermische und mechanische Trennverfahren aufbereitet. Deshalb sind Verfahren zur Stofftrennung seit Jahrtausenden von außerordentlicher Bedeutung und begegnen uns erstaunlich oft im Alltag.
Der Mensch erkannte schnell die Notwendigkeit, Stoffe zu trennen, um die einzelnen Elemente entweder direkt oder zur Weiterverarbeitung nutzen zu können. Was als Ergebnis natürlicher Trennprozesse begann, adaptierte der Mensch im Laufe der Zeit mit Hilfe seiner Fähigkeit, Wissen aufzunehmen, zu verarbeiten, weiterzuentwickeln und so technischen Fortschritt zu erzielen.
Die verfahrenstechnische Trennung der Stoffgemische durch Wärmezugabe, durch mechanisches Trennen oder als Folge von chemischen Reaktionen wurde im Zuge der Industrialisierung für den großtechnischen Maßstab weiterentwickelt und ist seither fester Bestandteil von fast allen Produktionsprozessen.
Technisch-historische Meilensteine in der Trenntechnik waren die bewusst herbeigeführte Verdunstung von Wasser oder die Auskristallisierung von Salzen in Seen und Meeren. Oder das Filtrieren von verunreinigtem Wasser über Holzkohle sowie das Sichten von Getreide. Im Zuge der Industrialisierung und der Dampferzeugung wurden dann thermische Verfahren wie Verdampfung, Trocknung und Destillation als Trennverfahren genutzt. Die Nutzung und das Wissen über elektrische Ströme erlaubten schließlich weitere Verfahren wie die Abscheidung von Staub durch Elektrofilter.
Heute werden mit Hilfe von Trennverfahren Rohstoffe und Produkte gereinigt, Lösemittel recycelt und Nebenprodukte abgetrennt. Für Trennprozesse und -verfahren werden in der industriellen Produktion zwischen 40 und 90 Prozent des eingesetzten Kapitals und der Betriebskosten eingesetzt. Sie sind daher ein bedeutender Kostenfaktor, den es mit intelligenten Lösungen zu reduzieren gilt.
Trenntechniken und ihre Einsatzgebiete
Die Trennung der Stoffgemische beruht auf der Ausnutzung der unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften der beteiligten Reinstoffe. Häufig werden mehrere Trennverfahren nacheinander durchgeführt, um das gewünschte Endprodukt zu erhalten.
Thermische Trennverfahren
Die thermischen Trennverfahren nutzen die unterschiedlichen Stoffeigenschaften wie Siedepunkte, Gefrierpunkte oder Löslichkeit aus. Die entsprechenden thermischen Trennverfahren bezeichnet man als:
Destillation, Verdampfung oder Trocknung, wenn das Trennen von flüssigen Stoffgemischen aufgrund unterschiedlicher Dampfdrücke bzw. Siedetemperaturen erfolgt.
Anwendungen:
- Die Destillation dient oft zur Herstellung hochprozentiger Getränke wie Whisky und Branntwein oder zur Rückgewinnung und Reinigung von Lösungsmitteln
- Das Ziel der Eindampfung ist meist die Aufkonzentrierung eines Stoffes oder Stoffgemischs zur Wertstoffgewinnung, als Zwischenschritt für weitere Verarbeitungsschritte, oder auch nur um Kosten für Transport, Lagerung und Entsorgung zu senken.
- Die Trocknung Trocknung ist eins der häufigsten thermischen Trennverfahren und kommt unter anderem bei der Herstellung von Polymeren, keramischen und metallischen Pulvern und bei fast allen Feinchemikalien vor
Schmelzkristallisation, wenn das Trennen auf unterschiedliche Gefrierpunkte beruht.
Anwendungen: Die Gefriertrocknung kommt besonders bei thermisch empfindlichen Produkten zur Anwendung oder wenn die Beibehaltung der Form oder Aromaschutz wichtig ist. Ein bekanntes Beispiel aus der Lebensmittelbranche ist die Gefriertrocknung von Kaffee zu löslichem Kaffee-Granulat (Instantkaffee). Ein weiterer Einsatzbereich ist die Lyophilisierung von pharmazeutischen Arzneistoffen, die in Wasser gelöst nicht lange haltbar wären. Gefriertrocknung oder Lyophilisierung, wenn das Trennen auf dem physikalischen Prozess der Sublimation beruht, indem die Eiskristalle ohne zwischenzeitliches Auftreten einer flüssigen Phase direkt in den gasförmigen Zustand übergehen.
Kristallisation, wenn das Trennen eines Stoffs aus einer Lösung durch Ausnutzung der unterschiedlichen Lösungsgleichgewichte erfolgt.
Anwendungen: Eine der häufigsten Anwendungen der Kristallisation ist die Salzgewinnung oder die Herstellung von Düngemitteln.
Extrahieren, wenn die Trennung von Stoffgemischen aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit der enthaltenen Reinstoffe in einem Lösungsmittel erfolgt.
Anwendungen: Behandlung der Pressrückstände, die bei der Herstellung von kaltgepresstem Olivenöl anfallen oder die Entkoffeinierung von Kaffee oder die Extraktion von Arzneimittelwirkstoffen.
Adsorption, wenn die physikalische Anlagerung eines Stoffs an der Oberfläche eines anderen Feststoffs, aufgrund eines Adsorptionsgleichgewichts erfolgt.
Anwendungen: Entfernung von Schadstoffen bei der Trinkwasseraufbereitung mit Aktivkohle oder Herstellung von hochreinem Alkohol
Absorption, wenn die chemische Aufnahme eines Stoffs in einer anderen Phase erfolgt.
Anwendungen: Reinigung von Abluft aus Industrieprozessen oder Verbrennungsanlagen
Chromatografie, wenn die physikalische Stofftrennung auf der unterschiedlichen Verteilung der Reinstoffe zwischen einer stationären und einer mobilen Phase beruht.
Anwendungen: Trennung von Arzneiwirkstoffen oder Farbstoffen.
Mechanische Trennverfahren
Die mechanischen Trennverfahren nutzen die unterschiedlichen Partikeleigenschaften wie Partikelgröße, Dichte, Partikelträgheit, Magnetisierbarkeit oder die elektrische Beweglichkeit aus. Die entsprechenden mechanischen Trennverfahren bezeichnet man als:
Sieben, wenn die Trennung von Stoffgemischen aufgrund unterschiedlicher Teilchengröße erfolgt.
Anwendungen: Trennung von Mineralien, Baumaterialien, Fischmehl, Holzpellets, Düngemittel, Recycling und Hausmüll
Filtrieren, wenn die Trennung von Stoffgemischen aufgrund unterschiedlicher Aggregatzustände oder unterschiedlicher Teilchengröße erfolgt.
Anwendungen: Cross-flow Membranfiltrationsverfahren wie Mikro-, Ultra-, Nanofiltration und Umkehrosmose zur selektiven Abtrennung von Stoffen, z.B. bei der Biomasseaufbereitung, Abwasseraufbereitung und zahlreichen Prozessen in der Nahrungsmittelverarbeitung
Dekantieren oder Abscheiden, wenn die Trennung von einer Flüssigkeit und eines darin unlöslichen Feststoffs aufgrund unterschiedlicher Dichten erfolgt.
Anwendungen: Abtrennung von Klärschlamm, Klären und Klassifizieren von unterschiedlichen Lebensmittelinhaltsstoffen oder Separieren von Biomasse
Zentrifugieren, wenn das Trennen nicht mischbarer Stoffe aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte durch die im System erzeugten Fliehkräfte erfolgt.
Anwendungen: Herstellung von Milcherzeugnissen, Bier, Wein, Säften, Feinchemikalien sowie der Reinigung von Speise- oder Mineralöl.
Magnetscheiden, wenn die Trennung aufgrund unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften der Reinstoffe im Gemisch erfolgt.
Anwendungen: Abtrennung von Eisen- und Stahlschrott bei der Müllaufbereitung oder Elimination von Metallen aus Staubgemischen zum Schutz von nachfolgenden Aggregaten
GEAs Beitrag zur Entwicklung der Trenntechnik
Als Prozessspezialist bietet GEA seit Jahrzehnten Technologien an, die nahezu alle Trennprozesse für die chemische, pharmazeutische sowie die Lebensmittel- und Getränkeindustrie umfassen. Die Lösungen sind dabei auf die Anforderungen der unterschiedlichen Kunden zugeschnitten. GEAs Prozesse und Produktentwicklungen haben in diesem Rahmen zu wichtigen technologischen Entwicklungen in Schlüsselindustrien beigetragen
1893
1893 eröffneten der Kaufmann Franz Ramesohl und der Kunsttischler Franz Schmidt im westfälischen Oelde eine Werkstatt und stellten handbetriebene Zentrifugen her, die als Milchschleudermaschinen zum Patent angemeldet wurden. Aus diesen Unternehmens-Wurzeln entwickelte sich der heutige GEA Standort, eines der modernsten Separatoren-Werke der Welt.
- Die Kompetenz von GEA umfasst inzwischen über 3.500 verschiedene Prozesse und 2.500 Produkte für diverse Industrien von der Nahrungsmittel- und Getränkebranche über Marine, Öl und Gas bis hin zur Energie-, Chemie-, Pharmazie- und Umwelttechnik.
1899/1908
Im Bereich der thermischen Trenntechnik wurde der erste Fallstromverdampfer von Paul Kestner 1899 patentiert und fand in Europa große Verbreitung. Der mehrstufige Umlaufverdampfer, patentiert durch Wilhelm Wiegand 1908, war ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung der Eindampftechnik. Thermische Verfahren sind sehr energieintensiv. Einmal eingespeiste Energie mehrfach nutzen, das ist heute noch das Ziel.
- Moderne GEA Eindampfanlagen arbeiten sehr energie-effizient durch geschicktes wärmetechnisches Verschalten und Wärmepumpentechnik (Brüdenkompression)
1924
Der Grundstein für die moderne Sprühtrocknung wurde 1924 mit der Erfindung des Rotationszerstäubers von Johan Ernst Nyrop gelegt. Die Sprühtrocknung ist heute aus der industriellen Lebensmittelverarbeitung nicht mehr wegzudenken, aber auch in der chemischen und pharmazeutischen Industrie gibt es zahlreiche Anwendungen, z.B. Herstellung von Hartmetallen, Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien oder Keramikmaterialien und Kunststoffe
- GEA ist eines der weltweit erfahrensten Unternehmen auf dem Gebiet der Trocknungstechnik und bietet neben der Sprühtrocknung auch alle anderen Varianten an Trocknungsarten wie Fließbetttrockner oder Gefriertrockner an und konzipiert Lösungen unabhängig davon, ob es sich bei dem Ausgangsmaterial um ein Nasspulver, eine Emulsion oder eine Lösung handelt.
1968
GEA hat mit der Entwicklung der Gefriertrocknungsanlage CONRAD™ im Jahr 1968 die kontinuierliche Verarbeitung von Produkten wie Kaffee und Tee, Obst und Gemüse, Fleisch und Meeresfrüchte sowie Fertiggerichte in großen Mengen ermöglicht.
- Noch heute ist der CONRAD™ Gefriertrockner das Herzstück der meisten gefriergetrockneten Instantkaffeefabriken, in denen nicht nur erstklassige Produkte, sondern auch ein robuster Betrieb gewährleistet ist.
1982
Die Minderung von Emissionen ist ein Meilenstein im globalen Umweltschutz. Seit Beginn der Industrialisierung ist GEA an der Entwicklung von Gasreinigungsanlagen beteiligt durch Lieferung eines der ältesten großtechnischen Elektrofilter in der Metallindustrie im Jahr 1912, der Forschung im Bereich der Staubabscheidung und der Entwicklung des justierbaren Ringspaltwäschers im Jahr 1982.
- GEA bietet dank konsequenter Forschung und Entwicklung die beste verfügbare Technik zur Gasreinigung sowohl für die Industriemärkte Zement, Glas, Eisen & Stahl, Nichteisenmetalle, Kraftwerke & Müllverbrennung, als auch für die chemische Industrie.
1990
1980 erhielt GEA das Patent für ein mehrstufiges Gegenstrom-Schmelzkristallisationssystem, einem Verfahren zur Reinigung und Trennung von organischen Chemikaliengemischen, aber auch von wässrigen Getränken wie Säfte, Bier, Tee und Kaffee. Das für den kontinuierlichen Betrieb geeignete Verfahren hat mit dem relativ geringen Energiebedarf des Gefrierprozesses und der hohen Selektivität der Kristallisation entscheidende Vorteile.
- Seit der ersten kontinuierlichen Großanlage 1990 für die Petrochemie findet die Schmelzkristallisation ihre Hauptanwendung bei der Herstellung von chemischen Reinststoffen. Im Bereich der Lebensmittelanwendungen wird die Schmelzkristallisation auch als Eiskonzentrierung bezeichnet. GEA Kälteanlagen sind dabei das Herzstück der Energieerzeugung.
2007
Mit einem innovativen Design für eine Destillationsanlage zur Herstellung von Whiskey, ist es GEA gelungen, den Energieverbrauch um 40 Prozent zu senken. Das 2007 zum Patent angemeldete Anlagenkonzept basiert auf der Mehrfachnutzung der Energie im Prozess mit Hilfe von mechanischer Brüdenkompression.
- Dieses innovative Verfahren wird erfolgreich in der Lösungsmittelrückgewinnung und Bioethanolherstellung eingesetzt.
2018
Die 2018 entwickelte Pharma Separatoren Serie eröffnet Herstellern für nahezu alle Pharmaanwendungen höchste Flexibilität. GEA flexChange Separatoren bestehen aus einem Antrieb und drei austauschbaren Trommeln, um schnell auf Prozess und Marktveränderungen reagieren zu können.
- Das neue GEA-Portfolio bietet drei verschiedene Trommeln, die speziell für Prozesse wie Insulin, Proteine und Impfstoffe ausgelegt sind. Zwei selbstreinigende Designvarianten sowie die neue, stufenlos von außen einstellbare Düsentrommel GEA flexicon ermöglicht, die Betriebsparameter auch während der Produktion flexibel anzupassen. Pharmazeutische Anlagen sind somit in der Lage, rund 150 verschiedene Anwendungen mit nur einer Maschine herzustellen.
