CH715248A2 - Mahlverfahren und Mahlvorrichtung mit verbesserten Strömungsverhältnissen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerkleinern von Partikeln in einer Flüssigkeit mittels einer in Resonanz betreibbaren Mahlvorrichtung mit zwei beweglichen Flächen mit Umfanggeschwindigkeiten zwischen 0 m/s und 500 m/s zur Beeinflussung des Fliessverhaltens einer Suspension, bestehend aus den Partikeln, der Flüssigkeit sowie einer Vielzahl von Mahlperlen. Bei dem Verfahren wird in der Mahlvorrichtung eine Scherströmung erzeugt, indem die zwei beweglichen Flächen parallel zueinander bewegt werden. Zeitgleich wird eine periodische Dehnströmung erzeugt, indem die zwei parallelen Flächen periodisch mit einer Schwingung (28) mit der Amplitude A im Bereich von 0,05 bis 20 Millimetern und einer Frequenz f von 10 Hz bis 500 Hz aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Mahlvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Mahlsystem.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mahlverfahren und eine Mahlvorrichtung zur Zerkleinerung von Partikeln in einer Flüssigkeit. Solche Partikel werden beispielsweise für die Herstellung von Farbstoffen benötigt.

[0002] Seit einigen Jahren besteht die Anforderung, Partikel mit einer Grösse im Mikrometerbereich auf eine Grösse bis weit in den Nanometerbereich zu zerkleinern. Der Nanometerbereich ist bei Partikel g rossen von weniger als einem Mikrometer erreicht, typischerweise bei 200 bis 300 Nanometern. In zukünftigen Anwendungen werden Partikelgrössen von 1 bis 50 Nanometern gewünscht. Bei diesen Grössen können verfahrensbedingte Verunreinigungen die Reinheit der Produkte nachteilig verändern.

[0003] In einem herkömmlichen Mahlprozess zur Erzeugung von Farbpartikeln werden rotierende Kugelmühlen eingesetzt, in denen Mahlperlen während eines Rotationsvorgangs auf die zu zerkleinernden Farbpartikel einwirken. Solche Mühlen erfordern eine aufwendige mechanische Konstruktion und sind einem beträchtlichen Verschleiss ausgesetzt.

[0004] Ein Weg, den Mahlprozess zu verbessern, besteht darin, die Strömungsverhältnisse in der Mahlvorrichtung dahingehend zu optimieren, dass nicht nur eine Rotationsbewegung erfolgt, sondern zusätzlich eine Translationsbewegung, beispielsweise eine Schwingung oder eine Vibration entlang einer oder mehrerer Bewegungsachsen.

[0005] Solche Mahlvorrichtungen sind grundsätzlich bekannt. Die Patentschrift US 2 613 036 (Veröffentlichungsdatum: 1952-10-07) offenbart eine Kugelmühle, die effizienter arbeiten kann, wenn man sie mit einer Vibration beaufschlagt. Bemerkenswert ist dabei, dass die Energieersparnis beim Mahlen grösser ist als die Energie, die man zum Anregen der Vibration hinzufügen muss.

[0006] In der Patentschrift US 3 022 082 (Veröffentlichungsdatum: 1962-02-13) wird bestätigt, dass sich die Mahlrate erheblich verbessert, wenn eine Vibration vorliegt. Die Energiezufuhr kann entsprechend verringert werden.

[0007] Konkrete Angaben zu dem Effizienzgewinn macht die US 2018 036 736 (Veröffentlichungsdatum: 2018-02-08). Demnach wird der Energieverbrauch um 10% reduziert, und gleichzeitig wird der Verschleiss der Mahlperlen erheblich reduziert.

[0008] Die EP 1 204 614 (Veröffentlichungsdatum: 2002-05-15) benennt zusätzlich einen Geschwindigkeitsvorteil und den Vorteil der geringeren Wärmeentwicklung, die aus der reduzierten Energieaufnahme resultiert. Als Ausführungsbeispiel wird eine Kugelmühle angegeben, die nicht rotiert und somit vielfältige Möglichkeiten bietet, eine Kühlung zu realisieren.

[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Mahlverfahren bereitzustellen, in welchem bei einer gegenüber dem Stand der Technik weiter verringerten Energieaufnahme schnellere Dispergiervorgänge ermöglicht werden und feinere Partikelgrössen im Nanometer-Bereich erreichbar sind.

[0010] Weiterhin soll eine Mahlvorrichtung geschaffen werden, mit er dieses Verfahren ausgeführt werden kann.

[0011] Eine solche Mahlvorrichtung ermöglicht eine effizientere und preiswertere Herstellung von Farbpartikeln, da in der Vorrichtung eine Strömungskombination erzeugt wird, in der Mahlperlen optimal zur Wirkung kommen.

[0012] Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

[0013] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Figuren, in denen beispielhaft bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.

[0014] In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 : Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Mahlvorrichtung.

Fig. 2: Scherströmung im Falle von einer stationären Fläche und einer mit konstanter Geschwindigkeit im Wesentlichen parallel zur stationären Fläche beweglichen Fläche.

Fig. 3: Dehnströmung im Falle von einer stationären Fläche und einer beweglichen Fläche, die in Richtung der stationären Fläche beweglich ist. Es liegt eine Translationsbewegung in Richtung der Oszillation mit einstellbarer Amplitude und Ausrichtung zur Strömung vor.

Fig. 4: Strömungsarten in einer Mahlzone während des Betriebs der Mahlvorrichtung.

Fig. 5a: Zu erwartende Auswirkung der Scherströmung auf das fluiddynamische Verhalten der Suspension, ohne Oszillation.

Fig. 5b: Zu erwartende Auswirkung der Scherströmung auf das fluiddynamische Verhalten der Suspension, mit Oszillation.

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Fig. 6: Reduktion der Scherviskosität einer Mischung aus einer Suspension von einer Flüssigkeit und Partikeln sowie Mahlperlen. Linie L1 : bei axialer Oszillation und Scherung; Linie L2: bei einer Scherung ohne Oszillation.

[0015] In Fig. 1 ist der mechanische Aufbau der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung 10 zu sehen. Ein Rotor 13 ist innerhalb eines Statorgehäuses mit einem entlang einer Maschinenachse 11 drehbar gelagerten Rotorschaft 12 verbunden. Die Innenwandung des Statorgehäuses 14 ist von dem Rotor 13 und dem Rotorschaft 12 beabstandet. Dieser Abstand entspricht mindestens dem Durchmesser der während des Mahlvorgangs verwendeten Mahlperlen 29 und beträgt vorzugsweise 0,05 bis 20 mm. Der Rotor 13 und das Statorgehäuse 14 bilden den Arbeitsbereich der Mahlvorrichtung 10.

[0016] Um eine Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor 13 und dem Statorgehäuse 14 zu erreichen, ist der Rotor 13 oder das Statorgehäuse 14 über ein erstes Antriebsmittel 17 mit einer Drehzahl n1 drehbar. Wenn der Rotor 13 bewegt wird, kann das Statorgehäuse 14 über ein zweites Antriebsmittel 18 mit einer Drehzahl n2 rotiert werden. Die Drehzahl n1 wird üblicherweise kleiner gewählt als die Drehzahl n2. Dabei beträgt n2 maximal 40 000 Umdrehungen pro Minute, und n1 nimmt einen maximalen Wert von 20 000 Umdrehungen pro Minute ein. Die Minimalwerte für n1 und n2 betragen Null, wenn der Rotorschaft 12 und das Statorgehäuse 14 still stehen. Möglich ist auch, dass sich der Rotorschaft 12 und das Statorgehäuse 14 mit gleicher Drehzahl drehen, d.h. n2 - n1 = 0.

[0017] Auf Dauer kann n1 > n2 sein. Im Falle einer Blockade der Mahlvorrichtung 10 durch die Mahlperlen 29 bei hoher radialer Beschleunigung kann die Drehzahl des Rotors 13 gegenüber der Drehzahl des Statorgehäuses 14 erhöht werden. Das bedeutet, dass n1 den Wert von 10 000 Umdrehungen pro Minute oder den aktuellen Wert von n2 überschreiten kann.

[0018] In einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung drehen sich sowohl der Rotor 13 als auch das Statorgehäuse 14. Möglich ist auch eine Ausführungsform, bei der sich zwar der Rotor 13 dreht, nicht aber das Statorgehäuse 14 oder umgekehrt, d.h. der Rotor 13 steht und das Statorgehäuse 14 dreht. Entscheidend ist die Relativbewegung von Rotor 13 und Statorgehäuse 14.

[0019] Der Zweck der Rotation des Statorgehäuses 14 besteht darin, die Suspension 15 aus der Flüssigkeit und den Partikeln sowie den Mahlperlen 29 einer starken, radial gerichteten Beschleunigung auszusetzen. Auf diese Weise wird, wie später noch im Detail erklärt, die Anhäufung von Mahlperlen 29 unterbunden. Dadurch ist die Bewegung der Mahlperlen 29 besser prognostizierbar. Eine solche Bewegung ermöglicht einen homogenen, isotropen Mahleffekt innerhalb des gesamten Arbeitsbereiches. Dabei wird das Auftreten von Bereichen verhindert, in denen die Strömungsverhältnisse so wären, dass kein Mahlvorgang stattfinden könnte.

[0020] Der Rotorschaft 12 ist über eine dritte Antriebsvorrichtung 19 mit einer axialen Schwingung in Richtung der Maschinenachse 11 beaufschlagbar, so dass der fest verbundene Rotor 13 innerhalb des Statorgehäuses 14 entlang der Maschinenachse schwingt. Denkbar ist ebenso, dass der Rotor 13 mit einer Schwingung senkrecht zur Maschinenachse 11 beaufschlagt wird, oder dass das Statorgehäuse 14 in Schwingungen versetzt wird.

[0021] In den Zwischenraum zwischen dem Rotorschaft 12 und dem Statorgehäuse 14 ist eine Suspension 15, d.h. ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern (Partikeln) einführbar, welche das Statorgehäuse 14 auf der gegenüberliegenden Seite wieder verlässt.

[0022] Eine Steuer- und Regelungseinheit 16 stellt sicher, dass sich die Antriebsmittel 17-19 mit der gewünschten Drehzahl bzw. mit der gewünschten Frequenz bewegen. Bei den Antriebsmitteln 17-19 handelt es sich um bekannte Motoren, z.B. Elektromotoren mit oder ohne Hohlwellen in Kombination mit einem geeigneten Getriebe oder einer Riemenübertragung. Denkbar sind auch hydraulische und/oder pneumatische Aktoren, und das Getriebe kann überZahnräder, Kettenantriebe oder mechanische Umlenkvorrichtungen realisiert sein. Für die lineare Bewegung sind elektromagnetische Antriebe oder Schwingungsmagnete mit dazu passenden Umlenkvorrichtungen vorgesehen.

[0023] In einer Ausführungsform ist auf der Maschinenachse 11 noch ein zweiter Rotor angeordnet, welcher unabhängig von dem Rotor 13 entlang der Maschinenachse 11 linear beweglich ist. Auf diese Weise entstehen zwei linear bewegliche Verfahrenszonen mit einer synchronen, mechanisch gekoppelten Drehmomentübertragung über die Maschinenachse 11. Der Rotor 13 und der zweite Rotor schwingen zeitgleich mit um 180 Grad versetzter Phase, so dass die Kräfte, die auf die Mahlvorrichtung 10 wirken, durch die zueinander bewegten Massen der Rotoren eliminiert werden.

[0024] Es ist auch möglich, zwei oder mehrere Mahlvorrichtungen 10 zu einem Mahlsystem zu kombinieren. Auf diese Weise lässt sich der Durchsatz an zu verarbeitender Flüssigkeit erhöhen, und es ist auf einfache Weise möglich, einen Ausgleich von Schwingungen zu schaffen.

[0025] Auch denkbar ist der Einsatz von verschiedenen Mahlperlengrössen in einer Verfahrenszone.

[0026] Wenn sich zwei gegenüberliegende Flächen relativ zueinander bewegen, können sich im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Strömungen bilden: Eine Dehnströmung, auch Quetschströmung genannt, und/oder eine Scherströmung.

[0027] Die erste Möglichkeit ist in Fig. 2 dargestellt: Eine stationäre Fläche 22 und eine bewegliche Fläche 21 bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit im Wesentlichen parallel zueinander. Bei dieser Bewegung kann es sich um eine lineare Bewegung oder um eine Rotationsbewegung handeln. Zwischen den Flächen 22 und 21 befindet sich eine Suspension 15.

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Die Strömung, die aufgrund der mit konstanter Geschwindigkeit ablaufenden Bewegung auftritt, wird als Scherströmung bezeichnet. Die Flüssigkeit kann aber eine peristaltisch erzeugte, pulsierende Bewegung in Richtung der Oszillation 25 quer zur Stromrichtung ausüben. Die stationäre Fläche 22 kann auch entlang der Maschinenachse 11 eine periodische Bewegung ausüben.

[0028] Die zweite Möglichkeit ist in Fig. 3 skizziert: Eine stationäre Fläche 22 und eine in Scherrichtung bewegliche Fläche 21 bewegen sich aufeinander zu und voneinander weg. Bei dieser Relativbewegung wird die Suspension 15, welche sich zwischen den Flächen 22 und 21 befindet, zu den Seiten herausgepresst. Dabei entsteht eine sogenannte Dehnströmung, weil sich während der Relativbewegung der Abstand zwischen den beiden Flächen 22 und 21 verkleinert und damit auch das durch die beiden Flächen 22 und 21 aufgespannte Volumen. Die Dehnströmung ist typischerweise periodisch. Die eingeschlossene Suspension 15 drängt dadurch seitlich nach aussen und erzeugt somit im Scherspalt (siehe Fig. 2) eine peristaltische, periodische Bewegung in Richtung der Oszillation 25. Umgekehrt vergrössert sich das Volumen, wenn sich die beiden Flächen 22 und 21 voneinander weg bewegen, so dass von den umliegenden Seiten die Suspension 15 hineinströmt. Man spricht von einem beidseitigen Verdrängungsprinzip: Zunächst erfolgt eine Ausdehnung der Suspension 15 in eine Richtung und dann eine Kontraktion in die entgegengesetzte Richtung. Dabei ändert sich sowohl der Betrag als auch die Richtung der Geschwindigkeit der Suspension 15 in Abhängigkeit von der Zeit. Wenn die bewegliche Fläche 21 mit einer periodischen, beispielsweise einer sinusförmigen, Schwingung beaufschlagt wird, wird die Suspension 15 periodisch bewegt. Denkbar ist auch eine sägezahnförmige oder eine rechteckig verlaufende Schwingung, oder es können Pulse bzw. Schläge auf die Achse gegeben werden. Dabei vergrössert sich ihre Geschwindigkeit von Null ausgehend auf die maximale Geschwindigkeit, geht danach wieder auf Null zurück und ändert anschliessend die Richtung. Diese Änderung der Geschwindigkeit der Suspension als Funktion der Zeit ist gleichbedeutend mit einer Beschleunigung der Suspension 15 und führt zu einer Dehnströmung, im Falle einer periodischen Schwingung zu einer periodischen Dehnströmung. Der Frequenzbereich dieser Schwingung liegt zwischen 10 Hz und 500 Hz.

[0029] Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Situationen können auch überlagert auftreten. Dies geschieht, wenn eine Schleppbewegung der beweglichen Fläche 21 zusammen mit einer periodischen Translationsbewegung der beweglichen Fläche 21 auftritt. Dabei kann die periodische Translationsbewegung in Strömungsrichtung sowie in Querströmungsrichtung oder mit beliebigem Winkel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein.

[0030] Die durch die lineare Verdrehung entstehenden Druckspitzen im Fluidkanal werden durch flexible Wände, d.h. Grenzflächen zwischen Fluid und Wasser, oder flexible Wandelemente teilweise oder vollständig kompensiert. Auch kann die Präsenz von Luft dazu beitragen Druckspitzen abzubauen, allerdings wird dabei die Luft nach innen verdrängt.

[0031] In Fig. 4 ist dargestellt, an welchen Stellen diese beiden Strömungsarten während des Betriebs der Mahlvorrichtung auftreten. Im Bereich B tritt eine Scherströmung auf: Bei der stationären Fläche 22 handelt es sich hier um die Innenwandung 30 des Statorgehäuses 14, und bei der beweglichen Fläche 21 handelt es sich um diejenige Aussenfläche 31 des Rotors 13, welche sich parallel zur Maschinenachse 11 befindet. Die Flächen bilden also zwei konzentrische Zylinder. Wenn der Rotor 13 innerhalb des Statorgehäuses 14 rotiert, bewegen sich die beiden Flächen 22 und 21 relativ zueinander mit konstanter Geschwindigkeit.

[0032] In dem Bereich C liegt die folgende Situation vor: Der Rotor 13 und das Statorgehäuse 14 rotieren relativ zueinander und bewegen sich zusätzlich aufgrund der Schwingung aufeinander zu und voneinander weg in Analogie zu zwei Parallelplatten mit einem Spalt. Die Suspension 15 füllt den gesamten Raum zwischen dem Rotor 13 und dem Statorgehäuse 14 aus. Wenn sich der Rotor 13 entlang der Maschinenachse 11 bewegt, dann findet in dem Bereich C jeweils eine Verdrängung nach aussen in Richtung des Bereichs B und nach innen statt. Die Folge ist eine periodische Dehnströmung. Gleichzeitig entsteht eine Scherströmung in einem ringförmigen Kanal zwischen dem Rotor 13 und dem Statorgehäuse 14.

[0033] Man kann mit folgenden Massnahmen Einfluss darauf nehmen, wie gross der Anteil der Dehnströmung und der Scherströmung ist:

- Wahl der Geometrie des Spalts und Dimensionierung der Breite zwischen einer stationären Fläche 22 und einer beweglichen Fläche 21 ;

- Einsatz von elastisch deformierbaren Wänden und/oder losen, den Mahlperlen beigemischten deformierbaren Objekten, oder begrenzenden Bereichen zwischen dem Fluid und der Wand;

- Wert der Amplitude A und der Frequenz f sowie die Differenz der Rotationsgeschwindigkeiten n1 und n2 (auch als Umfangsgeschwindigkeit bezeichnet, bezogen auf eine schneller drehende Oberfläche) von Rotor 13 und Statorgehäuse 14;

- Signalform des beaufschlagten periodischen Signals (Schwingung), z.B. sinusförmig, pulsförmig, dreiecksförmig, Sägezahn oder Schläge.

[0034] Der mechanische Aufbau der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung erlaubt es, eine Rotations- und eine Translationsbewegung gleichzeitig auszuführen, und dabei für beide Bewegungen die Bewegungsparameter unabhängig wählen zu können, da die beiden Bewegungen getrennt, aber nicht gekoppelt sind.

[0035] Die Amplitude A und die Frequenz f werden so gewählt, dass eine Reduktion der Fliessgrenze der Suspension erfolgt sowie eine starke Reduktion der Scherviskosität. Bei der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung 10 ist der Rotorschaft 12 mit Amplituden von 0,05 bis 20 Millimetern beaufschlagbar. Amplituden grösser als 20 Millimeter sind unter den vorgegebenen Randbedingungen, d.h. aufgrund der Zusammensetzung der Suspension 15, physikalisch nicht realisierbar.

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Der Grund besteht darin, dass sich bei gleichbleibender Frequenz f mit grösser werdender Amplitude A die Geschwindigkeitsänderung vergrössert. Bei zu hohen Geschwindigkeiten, also bei zu grossen Amplituden A bei gleicher Frequenz f, kann die Suspension 15 aufgrund ihrer viskosen und viskoelastischen Eigenschaften nicht mehr verdrängt werden. Die Viskoelastizität der Suspension 15 bestimmt somit die maximal beaufschlagbare Amplitude A der Schwingung. Das gleiche gilt auch für zunehmende Frequenz f, bei gleicher Amplitude A oder Suspensionen mit einer höheren Elastizität bzw. Viskosität.

[0036] Weiterhin wird die maximal beaufschlagbare Amplitude A von dem Durchmesser der Mahlperlen 29 bestimmt. Die maximale Amplitude A sollte in etwa mindestens das Doppelte des Durchmessers der Mahlperlen 29 betragen, d.h. wenn die Mahlperlen 29 einen Durchmesser von 0,1 Millimetern aufweisen, kann die Amplitude 0,2 Millimeter betragen. Grundsätzlich sind möglichst hohe Amplituden A und/oder Frequenzen f erwünscht, da mit steigender Frequenz und/oder Amplitude A auch die Dispergiergeschwindigkeit zunimmt. Dabei trägt eine steigende Frequenz mehr zu einer steigenden Geschwindigkeit bei als die Amplitude.

[0037] Die periodische Dehnströmung ist entscheidend für die Qualität des Mahlprozesses; sie hat einen wesentlich grösseren Einfluss auf die Dispergierung der Farbpartikel als die Scherströmung alleine.

[0038] Bei bekannten Kugelmühlen geht man davon aus, dass nur durch eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit bzw. der Differenzgeschwindigkeit der Rotationsbewegung, die die Scherströmung bestimmt, die Dispergierung intensiver werden könnte. Da aber die Umfangsgeschwindigkeit bzw. die dadurch erzeugte reine Scherströmung nicht überwiegend entscheidend ist für das Mahlergebnis, kann stattdessen durch eine periodische Dehnströmung bzw. Quetschströmung in Zusammenhang mit Scherströmung intensiver dispergiert werden. Versuche haben gezeigt, dass eine Kombination von einer Dehnströmung und der Scherströmung immer noch eine schnellere Dispergierung ermöglicht als eine reine Scherströmung (Fig. 6).

[0039] Die Scherströmung ist jedoch wichtig für den Transport der Suspension 15 durch die Mahlvorrichtung 10 (Fig. 5a). Einerseits werden auf die Mahlperlen 29, die durch die Dehnströmung gelockert sind, durch die Scherströmung Belastungen appliziert, um den Flüssigkeitstransport zu gewährleisten. Andererseits muss die Suspension 15 durch eine Druckdifferenz in der Mahlvorrichtung 10 fliessen, und zwar so, dass ein bestimmter Durchsatz an Farbe dispergiert wird. Ferner ist sicherzustellen, dass die Mahlwirkung sukzessive erfolgt, also nicht zu schnell und nicht zu langsam. Die Verweilzeit für die Farbe muss bestimmbar sein, damit die Farbe nicht überschert bzw. übermahlen wird. Die Viskositätsänderung darf nicht zu schnell erfolgen.

[0040] Mit steigender Viskosität durch Zerkleinerung bzw. Dispergieren wirkt die Oszillation fluidisierend und lässt das Fluid im Newtonschen Zustand strömen.

[0041] Bei Vorliegen einer reinen Scherströmung können sich Klumpen von Mahlperlen 29 und Partikeln bilden. In der Suspension 15 befinden sich neben den Farbpartikeln auch Mahlperlen 29. Ab einem Durchmesser von 0,1 Millimetern sind die Mahlperlen nur schwer von agglomerierten Farbpigmenten zu unterscheiden. Dann liegt ein Kontinuum vor, d.h. eine Suspension aus Mahlperlen und Farbe. Durch Bindungskräfte der Flüssigkeit angezogen, können sich die Mahlperlen 29 gruppieren. Die Bindungskräfte steigen mit steigender Viskosität der Flüssigkeiten, die sich zwischen den Mahlperlen 29 befindet. Dies führt zu einem Effekt, der als Bruch des Kontinuums bezeichnet wird, d.h. es bilden sich und es zerfallen Klumpen von mehreren Mahlperlen 29. Beim Zerfall der Klumpen von Mahlperlen 29 entstehen Qleitflächen zwischen den Mahlperlen 29. In dieser Situation bewirkt eine Oszillation, dass Kontakte zwischen den Mahlperlen 29 nicht abgeschlossenen und vollständig auf gebaut werden. Deswegen sind die Mahlperlen 29 suspendiert, d.h. in der Suspension schwebend. Das bedeutet, dass bei genügend kleinen Amplituden A der axialen Schwingung, die Mahlperlen 29 zwar gelegentlich, aber nicht permanent in Kontakt zueinander sind. Wenn die Mahlperlen 29 suspendiert bleiben, wird die Viskosität enorm reduziert. Das heisst, die Flüssigkeit wird zugänglicher für alle Kräfte, die über die Mahlperlen 29 transferiert werden.

[0042] Zudem sinkt aufgrund der Dehnströmung die Gefahr der Klumpenbildung und/oder der Bildung von sog. Todzonen (das sind die Zonen, die nicht fliessfähig sind) durch Partikel, die bei Vorliegen einer reinen Scherströmung ansteigt, je kleiner die Partikel zermahlen sind. Der Grund liegt darin, dass die Partikel umso aktiver in Bezug auf einen Strukturaufbau sind, je feiner sie zermahlen sind. Je aktiver die Partikel sind, desto wirksamer wird die Dehnströmung. Das heisst, mit abnehmender Partikelgrösse erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, tiefere Viskositäten sogar im pastösen Zustand zu erreichen. Somit ist es auch möglich, die Fliessgrenze sowie die Scherviskosität mittels Vibration über die ganze Prozesszone zu eliminieren bzw. stark zu beeinflussen.

[0043] In den Fig. 5a und 5b ist jeweils auf der Abszisse die Scherrate in logarithmischem Massstab dargestellt. Auf der Ordinate ist die Scherviskosität aufgetragen, ebenfalls in logarithmischem Massstab. In der Gegenüberstellung der Fig. 5a und 5b ist zu sehen, wie sich unter Berücksichtigung der starken Viskositätsverringerung in einem Bereich der Fliesskurve mit niedriger Scherströmung die Strömungsdynamik des Strömungsspaltes zwischen der stationären Fläche 22, repräsentiert durch die Innenwandung 30 des Statorgehäuses 14, und der beweglichen Fläche 21, repräsentiert durch die Aussenfläche 31 des Rotors 13, ändert.

[0044] In Fig. 5a ist der Fall dargestellt, dass die Mahlvorrichtung 10 nicht mit einer Vibrationsbewegung beaufschlagt ist, so dass nur Scherströmungen auftreten. Die Viskosität der Suspension 15 führt zu einer Pfropfenströmung um die

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Mittellinie 33 des Strömungsspaltes. Als Folge der Pfropfenströmung bildet sich in der Umgebung der Mahlperlen 29 eine Dilatanz 32 aus Mahlperlen und Fluid aus.

[0045] In Fig. 5b ist die Situation dargestellt, die sich ergibt, wenn die Mahlvorrichtung 10 nicht nur in eine Rotation, sondern auch in eine Vibration versetzt wird. Die Vibration wandelt im gesamten Strömungsspalt durch eine einfache Reduktion der Scherviskosität die Pfropfenströmung in ein nahezu parabolisches Newtonsches Strömungsprofil 23 bei Vorhandensein eines reduzierten Wandgleiteffekts um. Dies ermöglicht einerseits eine Verringerung der Schleppscherkräfte und andererseits eine Eliminierung der Dilatanz 32. Das anfängliche Strömungsprofil 23 passt sich entsprechend der Kurve der stationären Scherviskosität an. Somit wird der Bereich niedriger Viskosität 35 an die Grenze zwischen der Suspension 15 und der stationären Fläche 22 bzw. der Innenwandung 30 des Statorgehäuses 14 gezwungen. Die Verringerung der Viskosität an der stationären Fläche 22 trägt dazu bei, den Pfropfen in der Nähe der Mittellinie 33 vor Instabilitäten zu bewahren, die den gesamten Fluss ausgleichen können und somit unter stationären Bedingungen zu einem beträchtlichen Energieverbrauch führen.

[0046] In Fig. 6 ist dargestellt, in welchem Ausmass die Viskosität reduziert wird, wenn die Mahlvorrichtung 10 mit einer Vibration beaufschlagt wird. Solche signifikanten Änderungen im Fliessverhalten, insbesondere im tiefen Deformationsgeschwindigkeitsbereich, führen zu einer Homogenisierung des Mahlraums sowie zu einer Eliminierung von schlecht fliessfähigen oder sogar unbeweglichen Bereichen in der Verfahrenszone. Ohne eine Überlagerung einer Vibration, im Falle einer Scherströmung, bei einer Verlangsamung der Suspension oder bei einer Sedimentation von Mahlperlen und/oder groben Agglomeraten in der Suspension, typischerweise an der Wand, erhöht sich die Viskosität dramatisch bei reduzierter Deformationsgeschwindigkeit. Bei einer Überlagerung mit einer Vibration, wie in Fig. 6 dargestellt, eliminiert sich gerade der strukturviskose Bereich und somit alle strukturviskosen Effekte. Beispielsweise wird die Pfropfenströmung (auch als Fliessgrenze bekannt), eliminiert und in ein rein Newtonsches Fliessverhalten transferiert. Dieser Effekt ist auch in Fig. 5b schematisch dargestellt.

[0047] Grundsätzlich ist es auch möglich, mehrere Mahlvorrichtungen 10 zu einem Mahlsystem zusammenzuschalten. Im Falle von zwei Mahlvorrichtungen liegen somit zwei Blöcke vor, die mechanisch gekoppelt sind, und jeder hat mindestens eine Mahlvorrichtung (Passage). Somit fliesst die Farbe durch die Mahlvorrichtung und durch das Trennsieb in die nächste Mahlvorrichtung (Passage). Dabei werden die Pigmente oder die Agglomerate aus Pigmenten immer feiner, so dass die gesamte Suspension immer hochviskoser wird. Deswegen ist die Vibration als Schlüssel zu hohen Fliessgrenzen anzusehen. Je feiner die Agglomerate sind, desto wirkungsvoller sind die kleineren Mahlperlen, aber nur bei hohem Eintrag von kinetischer Energie, weshalb hohe Drehzahlen gewählt werden.

Bezugszeichenliste [0048]

Mahlvorrichtung

Maschinenachse

Rotorschaft

Rotor

Statorgehäuse

Suspension

Steuer- und Regelungseinheit erstes Antriebsmittel zweites Antriebsmittel drittes Antriebsmittel bewegliche Fläche stationäre Fläche

Strömungsprofil

Scherrichtung

Richtung der Oszillation

Fluideinlass

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Fluidauslass

Vibrationsrichtung

Mahlperlen

Innenwandung (des Statorgehäuses 14)

Aussenfläche (des Rotors 13)

Dilatanz

Mittellinie

Bereich niedriger Viskositäten

Viskositätsbereich 1

Viskositätsbereich 2

Viskositätsbereich 3

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Zerkleinern von Partikeln in einer Flüssigkeit mittels einer Mahlvorrichtung (10), wobei die Mahlvorrichtung (10) einen mit einem Rotorschaft (12) verbundenen Rotor (13) mit einer Aussenfläche (31) sowie ein Statorgehäuse (14) mit einer Innenwandung (30) umfasst, und die Aussenfläche (31 ) relativ zur Innenwandung (30) beweglich ist, um das Fliessverhalten einer Suspension (15), bestehend aus den Partikeln, der Flüssigkeit sowie einer Vielzahl von Mahlperlen (29), zu beeinflussen, umfassend die folgenden Schritte:

- Einleiten der Flüssigkeit und der Partikel, in die Mahlvorrichtung (10);

- Erzeugen einer Scherströmung in der Mahlvorrichtung (10), indem die Aussenfläche (31) und die Innenwandung (30) relativ zueinander bewegt werden;

- Erzeugen einer Dehnströmung in der Mahlvorrichtung (10), indem die Aussenfläche (31) und die Innenwandung (30) periodisch mit einer Schwingung mit der Amplitude A im Bereich von 0,05 bis 20 Millimetern und einer Frequenz f aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden;

- Erhöhen der Packungsdichte der Mahlperlen;

- Ausleiten der Flüssigkeit und der Partikel;

- Reduktion von Druckspitzen durch den Einsatz von festen Wänden oder von Grenzbereichen zwischen der Suspension (15) und der Aussenfläche (31) sowie der Innenwandung (30) oder losen, den Mahlperlen beigemischten, deformierbaren Objekten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude A einen Wert zwischen 0,05 mm und 20 mm annimmt und die Frequenz f zwischen 10 und 500 Hz beträgt.

3. Mahlvorrichtung (10) zum Zerkleinern von Partikeln in einer Flüssigkeit gemäss dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, umfassend einen Fluideinlass (26) zum Einleiten der Partikel und der Flüssigkeit, einen Fluidauslass (27) zum Ausleiten der Partikel und der Flüssigkeit, wobei der Fluidauslass (27) eine Trennvorrichtung aufweist, welche in der Lage ist, Mahlperlen von den Partikeln und der Flüssigkeit zu trennen, einen Rotorschaft (12), einen mit dem Rotorschaft (12) verbundenen Rotor (13), wobei der Rotor (13) einen Durchmesserd und eine Dicke D aufweist sowie eine Aussenfläche (31), und wobei der Rotor als Hohlwelle ausgeführt ist, welche in der Lage ist, ein Fluid oder mehrere voneinander getrennte Flüssigkeiten zu transportieren, ein Statorgehäuse (14) mit einer Innenwandung (30), ein erstes Antriebsmittel (17), mit welchem der Rotor (13) und das Statorgehäuse (14) relativ zueinander in eine erste Rotationsbewegung mit einer ersten Drehzahl n1 versetzbar sind, und eine Steuer- und Regelungseinheit (16), welche dazu eingerichtet ist, die Drehzahl n1 des ersten Antriebsmittels (17) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlvorrichtung (10) ein drittes Antriebsmittel (19) umfasst, welches den Rotorschaft (12) und/oder das Statorgehäuse (14) mit einer Schwingung mit der Amplitude A im Bereich von 0,05 bis 20 Millimetern und einer Frequenz f im Bereich von 10 Hz bis 500 Hz beaufschlagt, wobei die Amplitude A und die Frequenz f über die Steuer- und Regelungseinheit (16) einstellbar sind.

4. Mahlvorrichtung (10) gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebsmittel (17) auf den Rotor (13) wirkt, und dass ein zweites Antriebsmittel (18) vorhanden ist, mit welchem das Statorgehäuse (14) in eine zweite Rotationsbewegung mit einer zweiten Drehzahl n2 versetzbar ist.

5. Mahlvorrichtung (10) gemäss einem der Ansprüche Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Innenwandung (30) des Statorgehäuses (14) und der Aussenfläche (31) des als Hohlwelle ausgeführten Rotors (13) 0,4 bis 100 mm beträgt.

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6. Mahlvorrichtung (10) gemäss einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehzahl n1 zwischen 0 und 40 000 Umdrehungen pro Minute und die zweite Drehzahl n2 zwischen 0 und 40 000 Umdrehungen pro Minute beträgt.

7. Mahlsystem, bestehend aus mehreren in Serie geschalteten Mahlvorrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Maschinenachse (11) noch ein zweiter Rotor angeordnet ist, welcher unabhängig von dem Rotor (13) entlang der Maschinenachse (11) linear beweglich ist, so dass in dem Mahlsystem zwei mechanisch gekoppelte Mahlräume aus mehreren Mahlvorrichtungen (10) vorhanden sind, wobei der Rotor (13) und der zweite Rotor nach dem Resonanzprinzip zeitgleich mit um 180 Grad versetzter Phase schwingen, so dass sich die Kräfte, die innerhalb des Mahlsystems wirken, durch die zueinander bewegten Massen der Rotoren eliminieren.

8. Mahlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlvorrichtungen (10) mittels einer übergeordneten Steuerlogik so ansteuerbar sind, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit und/oder das Schwingungsverhalten des Mahlsystems optimierbar sind.

9. Mahlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsverhalten von vorgespannten Federn bestimmt ist, welche auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz ausgelegt sind, die aus der von der Fluidviskosität gegebenen Dämpfung resultiert, wobei elastische Grenzflächen und druckendlastende Stellen zu einer Reduktion der Dämpfung gezielt einsetzbar sind, wobei das Statorgehäuse (14) permanent gekühlt ist und insgesamt mindestens zwei separate, aber durch ein Trennsieb abgetretene Mahlräume, auch Passagen genannt, vorhanden sind, und wobei die Mahlperlen in jedem der Mahlräume monodispers oder polydispers sein können und zwischen 100 um und 10 mm gross sind.

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