DE102007007075A1

DE102007007075A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Zerkleinerung von Mahlgut

Info

Publication number: DE102007007075A1
Application number: DE200710007075
Authority: DE
Inventors: Armin Brenner; Lorenz Graef; Simon Holz; Andreas Strasser; Armin Lange De Oliveira; Mika Linden; Heinrich Lieder
Original assignee: HTE GmbH; HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Current assignee: HTE GmbH; HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-08-28
Also published as: WO2008098754A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zerkleinerung von Mahlgut zu Partikeln von einer möglichst definierten Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung in einer besseren Ausbeute als nach Verfahren des Standes der Technik.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zerkleinerung von Mahlgut zu Partikeln mit einer möglichst definierten Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung und in einer besseren Ausbeute als nach Verfahren des Standes der Technik.
Das Erzeugen von pulverförmigen Festsstoffen, welche Partikel in einer definierten mittleren Partikelgrößenverteilung enthalten, vorzugsweise einer engen Partikelgrößenverteilung, ist in vielen technischen Bereichen von großem wirtschaftlichen Interesse. In vielen Fällen ist es jedoch nicht möglich, die geforderten Zieleigenschaften von Partikeln, insbesondere in Bezug auf mittlere Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung, in einer Weise zu steuern, so dass die gewünschten Partikel direkt bei der Synthese der Partikelmaterialien erreicht werden können.
Somit ist es oftmals notwendig, dass die synthetisierten Materialien, z. B. in Form von Extrudaten oder Pellets, einer mechanischen Behandlung unterzogen werden, um die gewünschten Partikel zu erhalten.
Beispielsweise ist es bei der katalytischen Untersuchung von Feststoffkatalysatoren von wesentlicher Bedeutung, dass die zur Herstellung des Katalysatorbetts verwendeten pulverförmigen Materialien möglichst genau definierte Partikeleigenschaften, insbesondere Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung, aufweisen.
Eine genaue Kontrolle über die Partikeleigenschaften ist insbesondere auch im Bereich der kombinatorischen Forschung beziehungsweise der Hochdurchsatzforschung von großer Bedeutung, da eine Erhöhung des Probendurchsatzes zum Teil auch durch eine Verringerung der zu untersuchenden Menge an Probenmaterialien erreicht werden kann. Bei der Verminderung des Probenvolumens muss allerdings eine möglichst hohe Aussagekraft und Reproduzierbarkeit der Messdaten zu gewährleisten sein, was wiederum bevorzugt durch eine definierte (enge) Partikelgrößenverteilungen erreicht werden kann.
Eine Vorrichtung zum parallelen Zerkleinern und Sieben von Katalysatoren ist beispielsweise aus der WO 02/04121 bekannt. Diese Vorrichtung umfasst unter anderem einen Zerkleinerungskörper mit vier oder mehr räumlich getrennten Öffnungen oder Vertiefungen, wobei jede der vier oder mehr Öffnungen oder Vertiefungen eine Zerkleinerungszone definiert, die eine innere Zerkleinerungsoberfläche aufweist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung gemäß WO 02/04121 vier oder mehr Zerkleinerungselemente, wobei jedes der vier oder mehr Zerkleinerungselemente zumindest zum Teil innerhalb der Zerkleinerungszone befindlich ist und katalytischen Materialien, welche sich innerhalb der vier oder mehr Zerkleinerungszonen befinden, zerkleinern soll.
Weiterhin umfasst die genannte Vorrichtung einen oder mehrere Primärsiebe, welche zumindest einen Teil der inneren Zerkleinerungsoberfläche definieren. Dabei sind diese Primärsiebe so ausgestaltet, dass es möglich ist, simultan alle vier oder mehr katalytischen Materialien zu sieben, während diese zerkleinert werden, so dass diese Materialien aufgetrennt werden, und zwar in kleinere Partikel, welche durch das primäre Sieb durchdringen, und größere Teilchen, welche das Sieb nicht durchdringen und in der Zerkleinerungszone zum weiteren Zermahlen verbleiben. Am Ende der oben genannten Öffnungen des Siebkörpers befinden sich Sekundärsiebe, welche wiederum kleinere Partikel passieren lassen, wohingegen die größeren Partikel zurückgehalten werden. Dabei ist die Maschengröße der Siebe so angepasst, dass eine gewünschte Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung erreicht werden kann.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, Mahlgut durch eine mechanische Behandlung so zu zerkleinern, dass Partikel mit gewünschten Zieleigenschaften hinsichtlich der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung in einer gegenüber den Verfahren des Standes der Technik erhöhten oder anderweitig optimierten Ausbeute erreicht werden können.
Vorzugsweise soll die Vorrichtung dazu möglichst einfach aufgebaut sein und/oder möglichst wenige verschiedene Bauteile/Komponenten aufweisen. Gleichzeitig sollen die Vorrichtung und das Verfahren dafür geeignet sein, dass auch eine mechanische Behandlung von relativ geringen Mengen an Mahlgut möglich ist.
Eine weitere bevorzugte Aufgabe ist es, die Vorrichtung in der Weise auszugestalten, dass diese für das parallele Zerkleinern von verschiedenen Ansätzen an Mahlgut genutzt werden kann. Vorzugsweise aber nicht notwendigerweise sollen Vorrichtung und Verfahren im Bereich der Hochdurchsatzforschung eingesetzt werden. Darüber hinaus soll die Vorrichtung zumindest teilweise beziehungsweise vollständig automatisch betrieben werden können.
Die hier genannten und weitere Aufgaben werden dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Zerkleinerung von Mahlgut bereitgestellt wird, welche ein oberes Mahlaggregat und ein unteres Mahlaggregat enthält, wobei zumindest eines der Mahlaggregate ein oder mehrere Hubelement(e) aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst zumindest ein, bevorzugt das untere, Mahlaggregat zumindest einen Siebeinsatz oder ein Teil hiervon.
Dabei ist es bevorzugt, dass dieser Siebeinsatz zumindest ein Mahlsieb (3) auf einem Siebträger (2) umfasst, wobei diese beiden Bauteile bevorzugt getrennte Einheiten sind, die sich in zumindest einer Raumrichtung relativ zueinander bewegen können. Weiter bevorzugt ist das Mahlsieb auf dem Siebträger fixiert und wird bevorzugt von diesem in (vertikaler) z-Richtung gestützt oder unterstützt.
Das Mahlsieb (3) umfasst vorzugsweise ein Drahtmaschengewebe. Ein Kennzeichen des jeweils eingesetzten Mahlsiebes ist, dass dieses eine definierte, beziehungsweise eine möglichst einheitliche Maschenweite aufweisen soll. Beispielsweise kann ein Mahlsieb verwendet werden, dessen Maschenweite 150 μm beträgt. Es kann aber auch ein Mahlsieb eingesetzt werden, dessen Maschenweite 500 μm beträgt. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es bevorzugt, Mahlsiebe zu verwenden, deren Maschenweite in einem Bereich von 10 μm bis 5000 μm liegt, wobei ein Bereich für die Maschenweite von 50 bis 1000 μm bevorzugt ist.
Der Siebträger (2) ist vorzugsweise eine Lochplatte oder eine Platte, die eine gitterförmige Struktur aufweist, vorzugsweise eine Lochplatte mit runden oder länglichen Durchbrüchen.
Vorzugsweise ist der Siebträger starrer, d. h. weniger flexibel und/oder weniger biegsam als das Mahlsieb. Als mögliches Maß für die unterschiedliche Biegsamkeit/Verformbarkeit kann beispielsweise das Schermodul angesehen werden. Insoweit ist es bevorzugt, dass der Siebträger insgesamt ein größeres Schermodul aufweist als das Mahlsieb.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest eines der zumindest zwei Mahlaggregate, vorzugsweise das obere Mahlaggregat, zumindest einen Mahlstempel (6). Weiter bevorzugt umfasst dieses Mahlaggregat zumindest eine Einheit zum Antrieb des oder der Mahlstempel(s). Der Mahlstempel ist vorzugsweise lösbar mit der Einheit zum Antrieb verbunden.
Die Einheit zum Antrieb umfasst vorzugsweise einen Elektromotor mit einer Antriebswelle sowie optional ein Getriebe. Sowohl das Antriebsdrehmoment als auch die Antriebsgeschwindigkeit sind vorzugsweise steuer- und regelbar.
Als Antriebsmotor kann vorzugsweise ein Gleichstrommotor, ein Schrittmotor, ein Servomotor, ein Synchron- oder Asynchronmotor Verwendung finden.
In Abhängigkeit vom jeweils eingesetzten Motor kann es erforderlich sein, die Drehzahl des Motors mittels eines Getriebes zu über- oder zu untersetzen. Als Ausführungsformen für ein Getriebe können Zahnrad, Ketten oder Zahnriemengetriebe (oder deren Kombination) eingesetzt werden. Die Übersetzung kann durch unterschiedliche Kombinationen in gewissen Grenzen angepasst und somit dem Mahlvorgang optimal angepasst werden.
Die Vorrichtung kann vorzugsweise mit unterschiedlichen Mahlstempeln (6) betrieben werden, wobei die jeweilige Auswahl des Mahlstempels von der vorgegebenen Anwendung abhängt. Bevorzugt ist es, wenn die Mahlstempel aus einem harten und verschleißfesten Material bestehen. Geeignete Materialien umfassen beispielsweise aus hochfestem Kunststoff, Metall oder Keramik, insbesondere aus Siliciumnitrid, Wolframcarbid oder Zirconnitrid. Verbundmaterialien sind gleichfalls bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Mahlstempel und Mahlsieb so angeordnet, dass das Mahlgut zwischen Mahlstempel und Mahlsieb eingebracht und zerkleinert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die dem Mahlgut zugewandte (untere) Oberfläche des Mahlstempels die Form einer Scheibe, vorzugsweise einer kreisförmigen Scheibe.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die dem Mahlgut zugewandte Oberfläche des Mahlstempels (dessen "Unterseite") mit Kavitäten (Vertiefungen) versehen ist und daher eine dreidimensionale Strukturierung aufweist.
Je nach der Ausführungsform des Mahlstempels können die Kavitäten an der Unterseite der Mahlscheibe unterschiedliche Strukturen aufweisen. Bevorzugte Strukturierungen der Unterseite der Mahlscheibe sind sich kreuzende Rillen oder auch gekrümmte Rillen, die sternförmig vom Rand der Stempelscheibe zum Mittelpunkt verlaufen.
Besonders bevorzugt sind solche Strukturierungen in der Oberfläche (der Unterseite) des Mahlstempels, durch die zumindest teilweise verhindert wird, dass Mahlgut in den Ringspalt gepresst wird, welcher sich zwischen dem Mahlstempel und dem Sammelbehälter bildet oder bilden kann. Bevorzugte Strukturierungen der Unterseite des Mahlstempels sind in 5 gezeigt.
Die Kavitäten weisen bevorzugt eine bestimmte Mindesttiefe auf. Die Mindesttiefe und Mindestbreite der Kavitäten wird in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die gewünschte Partikelgröße bestimmt. Bevorzugt stellen die Kavitäten genügend Kantenfläche zur Verfügung, damit auf die zu mahlenden Partikel eine Scherkraft ausgeübt werden kann. Weiter bevorzugt sollen die Kavitäten zumindest von einer größeren Dimension sein als die mittlere Partikelgröße der Zielfraktion.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eines der Mahlaggregate, vorzugsweise das untere Mahlaggregat, zumindest einen Sammelbehälter (1), der vorzugsweise den zumindest einen Siebeinsatz umfasst.
Dabei sind vorzugsweise eine oder mehrer Halterungen zur Aufnahme des Sammelbehälters beziehungsweise der Sammelbehälter vorgesehen, welche vorzugsweise auch als Wandung (5) des Mahlsiebs fungieren bzw. mit dieser integriert sein können.
Der obere Teil des Sammelbehälters hat vorzugsweise einen zylinderförmigen Innenraum, wobei der Durchmesser des Innenraums vorzugsweise geringfügig größer ist als der äußere Durchmesser des Mahlstempels, wobei der Mahlstempel in dieser Ausführungsform bevorzugt kreisförmig ist. Diese Anordnung bewirkt, dass sich insgesamt ein möglichst kleiner Ringspalt bildet, wenn der Mahlstempel in den oberen Teil des Probenbehälters eingeführt wird.
Der Sammelbehälter ist vorzugsweise mehrteilig aufgebaut und weist vorzugsweise einen oberen Teil, den Probenaufnahmebehälter, und einen unteren Teil, den Probensammelbehälter, auf.
Die Fixierung bzw. das Stützen des Mahlsiebes auf dem Siebträger wird vorzugsweise durch ein Befestigen des Siebeinsatzes am oberen oder unteren Teil des Probenbehälters mittels geeigneter Befestigungselemente erreicht. Bevorzugt ist es hierbei, dass der Siebeinsatz im unteren Teil des Probenaufnahmebehälters befestigt wird, und zwar vorzugsweise mittels lösbarer Befestigungselemente.
Die Dimensionierung und Ausgestaltung der Vorrichtung richtet sich nach den jeweils gegebenen technischen Anforderungen. Eine charakteristische Kennzahl bei der Dimensionierung der Vorrichtung ist durch den Innendurchmesser des Sammelbehälters gegeben. Die Vorrichtung umfasst bevorzugt einen Sammelbehälter, dessen Innendurchmesser in einem Bereich von 2 bis 20 cm liegt. Bevorzugt ist es hierbei, dass der Innendurchmesser des Probenbehälters kleiner ist als 10 cm.
Der Sammelbehälter und die Halterung zur Aufnahme des Sammelbehälters sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine Verdrehsicherung vorhanden ist, die es verhindert, dass sich der Sammelbehälter oder Teile des Sammelbehälters unter mechanischer Krafteinwirkung des Mahlstempels in eine Drehbewegung versetzt oder versetzen kann. Die Verdrehsicherung des Sammelbehälters (1) in einer zugehörigen Halterung ist vorzugsweise dadurch gegeben, dass der äußere Teil des Sammelbehälters Kanten aufweist und der Einschub der Halterung eine entsprechende Form zur Aufnahme eines kantigen Sammelbehälters aufweist. Auch zahlreiche andere Ausgestaltungen einer Verdrehsicherung sind möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mittel zumindest eines Hubelementes das obere und/oder das untere Mahlaggregat bewegt, vorzugsweise in vertikaler Richtung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hubelement eine Einrichtung zur Erzeugung von Andruckkräften. Dabei erfolgt die Kraftvermittlung bevorzugt über bewegliche und/oder feste Widerlager.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Einrichtungen vorhanden, mittels derer die Hubkraft und/oder die Hubgeschwindigkeit gesteuert und/oder aufgezeichnet werden kann bzw. können. Die Hubelemente umfassen vorzugsweise Hydraulikelemente, Federelemente und/oder Pneumatikelemente. Bevorzugt werden Pneumatikelemente mit einem Druck von 2 bis 10 bar angetrieben.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Anschlag auf, durch den die Hubbewegung in einer vorgegebenen Position abgebremst oder zum Stillstand gebracht werden kann. Der Anschlag ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass dieser verhindern kann, dass ein Teil des Mahlaggregates, vorzugsweise des oberen Mahlaggregates, besonders bevorzugt der Mahlstempel (6), direkt auf das Mahlsieb (3) gedrückt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlag als Endabschaltungskontakt ausgestaltet.
Unabhängig von den aus den Regelsignalen abgeleiteten Kriterien kann in der Vorrichtung an Stelle des Anschlags (oder zusätzlich hierzu) bevorzugt ein Abstandssensor eingebaut werden. Dieser Abstandssensor wird vorzugsweise auf einen festen Abstandswert eingestellt und liefert bei Erreichen dieses Zielabstands eine digitale Information, die zur Unterbrechung des Mahlvorgangs führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liefert der Abstandssensor ein kontinuierlich mit dem Abstand korrelierendes Signal. In einer geeigneten Auswerteeinheit wird das Signal des Sensors zur Abschaltung des Mahlvorgangs ausgewertet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Mikrofon zur Aufnahme des Luftschalls in der Nähe des Mahlsiebs. Bei abnehmender Füllung des Mahlaggregats kann es zu leichtem Touchieren des Mahlstempels am Mahlsieb kommen. Dies ist an einem Geräusch erkennbar, welches durch eine geeignete Schallanalyse nachgewiesen werden kann.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird an Stelle des Mikrofons ein Körperschallwandler in das Gehäuse (5) des Mahlaggregats eingebaut. Mit abnehmender Füllung des Mahlaggregats reduziert sich der Druck und damit die Entwicklung hochfrequenter Geräuschanteile. Mittels einer Spektralanalyse, bevorzugt in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz oder wenigstens bis 500 kHz, kann die Verschiebung der spektralen Anteile nachgewiesen werden und folglich zum Abschalten des Mahlaggregats ausgenutzt werden.
Insgesamt ist es im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, dass das Abschalten zumindest eines Mahlaggregates auf der Basis zumindest eines der folgenden Signale erfolgt: Schallsignal (vorzugsweise Erkennen von „Kratz"-Geräuschen), Signal eines Endabschalters, Unterschreiten eines vorgegebenen Drehmoments oder Abstandsmessung.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es besonders bevorzugt, dass ein steifer Siebträgers mit einem weniger steifen Mahlsieb kombiniert wird, insbesondere mit einem Mahlsieb aus Drahtmaschengewebe.
Ohne an diesen möglichen Mechanismus gebunden sein zu wollen, kann davon ausgegangen werden, dass das durch den Siebträger gestützte Drahtmaschengewebe des Mahlsiebes – obwohl es durch den Siebträger gestützt ist – eine gewisse Flexibilität oder Beweglichkeit aufweist, so dass zerkleinerte Partikel das Maschengewebe gut durchdringen können. Größere Partikel, die zunächst im Maschengewebe stecken bleiben, werden möglicherweise auch durch die bei der Bewegung des Drahtmaschengewebes entstehenden Kräfte gebrochen. Eine Blockierung des Drahtmaschengewebes durch Partikel, die im Maschengewebe hängen bleiben ohne wieder auszutreten ist durch die intrinsische Flexibilität gering.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass zumindest eines der zumindest zwei Mahlaggregate auch eine Siebfunktion hat. Hierdurch wird die Vorrichtung insgesamt kleiner, leichter, besser parallelisierbar und kostengünstiger.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Elemente vorhanden, die zumindest teilweise einen automatischen Betrieb oder aber auch einen vollständig automatischen Betrieb der Vorrichtung ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise die folgenden Schritte:

a) Befüllen eines Sammelbehälters, umfassend zumindest einen Siebeinsatz, mit Siebträger und Mahlsieb mit Mahlgut,
b) Einsatz des Sammelbehälters in eine Aufnahmevorrichtung,
c) Positionieren eines ersten, oberen, Mahlaggregates über einem zweiten, unteren, Mahlaggregat in einer Weise, dass ein Mahlstempel in den oberen Teil des Sammelbehälters zur Aufnahme von Mahlgut hineinragt,
d) Ausführen einer definierten Drehbewegung des Mahlstempels in der horizontalen Ebene,
e) Ausführen einer Vertikalbewegung des unteren Mahlaggregats in Richtung des Mahlstempels und/oder des oberen Mahlaggregats in Richtung des Siebeinsatzes des Sammelbehälters wobei die Vertikalbewegung in (e) mit einer Abnahme an Menge an Mahlgut einhergeht.

Dabei ist es bevorzugt, dass die Schritte (d) und (e) simultan ausgeführt werden.
In Bezug auf Schritt (a) ist es bevorzugt, dass das Mahlgut in den Raum zwischen Mahlstempel und Siebeinsatz eingefüllt wird.
Bezüglich Schritt d) ist es bevorzugt, dass die Drehbewegung des Mahlstempels entweder mittels einer oszillierenden Bewegung oder mittels einer kontinuierlich rotierenden Bewegung erfolgt. Die Rotationsbewegung, die durch die Anzahl der Umdrehungen des Mahlstempels pro Minute gekennzeichnet ist, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 200 Umdrehungen pro Minute, weiter bevorzugt in einem Bereich von 2,5 bis 100 Umdrehungen pro Minute. Die Oszillationsfrequenz bei einer oszillierenden Bewegung richtet sich nach der Auslenkung der Mahlscheibe beziehungsweise dem Drehwinkel der Mahlscheibe. Bevorzugt ist es, dass bei oszillatorischer Bewegung der Mahlscheibe Frequenzen im Bereich von 10^–2 bis 4 Hz genutzt werden.
Bezüglich Schritt e) ist es bevorzugt, dass die Vertikalbewegung von oberem und/oder unterem Mahlaggregat geregelt oder gesteuert wird. Entweder kann hierbei eine konstante Energie eingetragen werden oder eine konstante Geschwindigkeit angelegt werden.
Das erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren besonders vorteilhaft zur Herstellung von Partikeln geeignet, da das Mahlgut unter besonders "milden" Bedingungen zerkleinert wird, die sich gut kontrollieren lassen. Dabei wird bevorzugt Material (Mahlgut) zerkleinert, dessen Harte geringer ist als die Härte von Korund.
Besonders vorteilhaft werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerkleinerung von oxidischen Materialien eingesetzt. Vorzugsweise werden Strangextrudate oder kleine Formkörper (Pellets) zerkleinert.
Mittels der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine sehr hohe Ausbeute an Zielmaterial zu erhalten. "Zielmaterial" bedeutet in diesem Zusammenhang Menge an Partikelfraktion, die in einem bestimmten, gewünschten Größenbereich liegt und die eine möglichst enge Partikelverteilung aufweist. Bei Verfahren zur Zerkleinerung von Partikeln aus dem Stand der Technik (zum Beispiel Kugelmühle oder Toraxmahlmühle), wird oftmals auch ein hoher Anteil an Partikeln gebildet, die kleiner sind als die Partikel der Zielfraktion, die sogenannten "Fines". Eine hohe Bildungsrates an Fines führt zu Materialverlust und hat den Nachteil, dass zusätzlich Aufwand entsteht, die Fines von der Zielfraktion abzutrennen. Dieser Nachteil wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vermieden oder minimiert.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, gemäß welcher das Mahlgut (nicht gezeigt) zwischen einem Mahlstempel (6) und einem Siebträger (2) mit Mahlsieb (3) gleichzeitig zerkleinert und gesiebt wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß welcher die Wandung (5) eine kraftschlüssige Verbindung des Mahlsiebs und des Siebträgers mit einer Haltestruktur bewirkt.
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die Wandung (5) vorzugsweise mit einem festen Widerlager (7) verbunden ist. Weiter vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform die Antriebswelle (10) mit einem beweglichen Widerlager (9) verbunden.
4 zeigt eine zu der in 3 gezeigten Ausführungsform alternative Ausgestaltung, dergemäß die Wandung (5) mit einem beweglichen Widerlager (9) verbunden ist, wobei dieses Widerlager mit einer zur Erzeugung von Andruckkräften geeigneten Einrichtung verbunden ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Unterseite von drei unterschiedlichen Mahlstempeln (6), die sich bezüglich der Strukturierung der Kavitäten voneinander unterscheiden.
6 ist die Darstellung einer Ausführungsform, welche einen Regler (24) umfasst. Dabei wird die Drehzahl des Mahlstempels gemessen und einem Wandler (25) zugeführt, welcher die Drehzahl in ein Einheitssignal umwandelt, welches dann vom Regler verarbeitet und zur Motorsteuerung eingesetzt werden kann.
7 zeigt eine bevorzugte Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher die Andruckkraft auf den Sammelbehälter ermittelt wird. Das Signal eines Wandlers wird einem Regler (21) zugeführt, welcher daraus unter Berücksichtigung eines Sollwerts S_p die Stellgröße für einen Aktuator (32) ermittelt.
8 zeigt ein Regelregime, bei welchem die Drehzahl mit der gleichen Regelanordnung wie in 6 gezeigt konstant gehalten wird, allerdings unter Wandlung des Drehmoments.
Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend anhand eines Beispiels illustriert werden:
Es wurden Mahlversuche an Eisenoxidpellets und an Zirkonoxidpellets durchgeführt (die Pellets waren zylinderfömig und hatten eine Länge von ca. 5 mm und einen Durchmesser von ca. 2 mm).
Bei den Testreihen zur Zerkleinerung wurde die Vorrichtung mit einem Siebeinsatz ausgerüstet, welcher aus einem Drahtmaschengewebe bestand und eine Maschenweite von 160 μm aufwies. Eine Zerkleinerung der gleichen Ausgangsmaterialien wurde zum Vergleich auch manuell vorgenommen, wobei die zu zerkleinernden Materialien zunächst mittels Mörser und Pistill zerkleinert wurden und dann über einem Stahlsieb mit Hilfe eines Keramikpistills verrieben wurden.
Als Zielfraktion wurden in diesem Beispiel Partikel gewertet, deren mittlere Partikelgröße in einem Bereich von 125 bis 160 μm liegt. Zur Abtrennung der Fines (Partikel kleiner als 125 μm) aus den aufgefangenen Produkten wurden die Produkte nach der Zerkleinerung einer Siebung unterzogen, wobei ein Sieb mit einer Maschenweite von 125 μm eingesetzt wurde. Die Menge an Zielprodukt, d. h. die Produktfraktion mit Partikelgrößen im Bereich von 125 bis 160 μm, wurde mittels Wägung bestimmt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden höhere Ausbeuten an Zielfraktion (d. h. Partikel im Bereich 125 bis 160 μm) erhalten als mit Hilfe des konventionellen Zerkleinerns. Die mittleren Ausbeuten an Zielprodukt, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erreicht wurden, lagen im Bereich von 60 bis 80 Gewichtsprozent. Bei Vergleichsversuchen mit Mörser und Pistill wurden Ausbeuten an Zielprodukt erhalten, diedemgegenüber in einem Bereich zwischen 10 und 20 Gewichtsprozent lagen.
Im Folgenden sollen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffend sowohl die Vorrichtung als auch das Verfahren zum Zerkleinern von Mahlgut anhand von Figuren dargestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in 1 dargestellt ist, sind Sammelbehälter (1) und Mahlstempel (6) vertikal übereinander angeordnet. Der Sammelbehälter (1) für Partikel umfasst in dieser Ausführungsform einen Siebträger (2) mit zugehörigem Mahlsieb (3). Das Mahlgut, d. h. die zu zerkleinernde Substanz, welche zu Partikeln mit gewünschten Partikelgrößen und Partikelgrößenverteilungen führen soll, ist in dieser Figur nicht gezeigt, befindet sich aber vorzugsweise zwischen Mahlstempel (6) und Mahlsieb (3). Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform umfasst der Mahlstempel (6) Kavitäten (4) zur Erzeugung von Scherkräften am Mahlgut.
Im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass sich zumindest das Mahlsieb (3) in physikalischem Kontakt mit einer Wandung (5) befindet, d. h. mit dieser lösbar oder permanent verbunden ist. Weiter bevorzugt ist, dass der Mahlstempel (6) über eine Antriebswelle (10), und gegebenenfalls ein Getriebe (11), mit einem Motor (12) in Wirkverbindung steht.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt, welche im Wesentlichen der in 1 gezeigten Ausführungsform entspricht. Zusätzlich zu den in Bezug auf 1 diskutierten Merkmalen ist zumindest der Siebträger (2), sind aber vorzugsweise Mahlsieb (3) und Siebträger (2), über eine kraftschlüssige Verbindung (18) mit einer Haltestruktur (14) verbunden (hier nicht gezeigt).
Auch die Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, basiert auf der Ausführungsform gemäß 1. Diese Ausführungsform weist allerdings zusätzlich die folgenden bevorzugten Merkmale auf: zum einen ist die Wandung (5) vorzugsweise mit einem festen Widerlager (7) verbunden. Zum anderen ist es bevorzugt, dass die Antriebswelle (10), welche mit dem Mahlstempel (6) in Wirkverbindung steht, über ein Lager (13) zur Aufnahme axialer und radialer Kräfte mit einem beweglichen Widerlager (9) in Wirkverbindung steht, welches seinerseits mit einer zur Erzeugung von Andruckkräften geeigneten Einrichtung verbunden ist, oder hiermit in Wirkverbindung steht. Diese zur Erzeugung von Andruckkräften geeignete Einrichtung ist in 3 durch Pfeile schematisch dargestellt.
Eine alternativ bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. Demgemäß befindet sich die Wandung (5) in kraftschlüssiger Verbindung, und ist vorzugsweise lösbar oder permanent mit einem beweglichen Widerlager (9) befestigt, welches seinerseits mit einer zur Erzeugung von Andruckkräften geeigneten Einrichtung verbunden ist, die hier durch Pfeile schematisch dargestellt ist. Entsprechend ist die Antriebswelle (10), welche zum Mahlstempel (6) führt, über ein Lager (13) zur Aufnahme axialer und radialer Kräfte mit einem festen Widerlager (7) verbunden.
5 zeigt eine schematische Darstellung von drei unterschiedlichen Mahlstempeln (6), welche sich bezüglich der Strukturierung der Kavitäten an der Unterseite voneinander unterscheiden. In der untersten Darstellung der 5 ist diese Strukturierung durch zwei sich in der Mitte kreuzende Linien gegeben, wobei diese sich kreuzenden Linien vorzugsweise in der Mitte einen Versatz aufweisen.
Zumindest die Breite der Kavitäten, welche vorliegend linienförmig ausgestaltet sind, sollte größer sein als der größte erwünschte Partikeldurchmesser. Gleichfalls sollte die Tiefe dieser Kavitäten vorzugsweise größer sein als die größte erwünschte Partikelgröße. Selbiges gilt auch für die Länge dieser linienförmigen Kavitäten.
In der mittleren Darstellung von 5 ist die Strukturierung durch Linien gegeben, die eine H-Form aufweisen. In der oberen Darstellung schließlich ist die Strukturierung durch sich kreuzende wellenförmige bzw. sternförmige Linien gegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Andruckkraft, die auf den Mahlstempel wirkt und die beispielsweise durch die Feder (26) dargestellt sein kann, mit der Geschwindigkeit des Mahlstempels durch Regelung in Beziehung zu setzen.
In 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfassend einen Regler dargestellt. Die Drehzahl des Mahlstempels wird gemessen und einem Wandler (25) zugeführt. Dieser wandelt die Drehzahl in ein Einheitssignal um, welches von einem Regler (24) verarbeitet werden kann. Der Regler steuert den Motor dergestalt, dass die mittels einer Sollwertvorgabe S_p vorgegebene Drehzahl eingehalten wird. Optional kann mittels der Registriereinheit (23) der Stellwert des Reglers aufgezeichnet werden. Üblicherweise ist am Regler ein sinkender Stellwert zu beobachten, was einer Abnahme des Drehmoments entspricht. In dieser Anordnung kann aus dem Verlauf des Drehmoments das Kriterium für das Abschalten des Mahlprozesses abgeleitet werden. Unterschreitet das Drehmoment eine Grenze, dessen Wert experimentell zu bestimmen ist, soll die Abschaltung des Mahlvorgangs erfolgen.
In 7 ist eine Anordnung gezeigt, gemäß welcher die Andruckkraft durch einen Kraft-Einheitssignalwandler (31) ermittelt wird. Das Signal des Wandlers wird dem Regler (21) zugeführt, der daraus unter Berücksichtigung des Sollwerts S_p die Stellgröße für den krafterzeugenden Aktuator (32) ermittelt. Beispielhaft können als Kraft-Einheitssignalwandler Anordnungen mit Dehnmessstreifen oder piezoresistive Sensoren mit entsprechendem Anpassungsverstärker verwendet werden. Als Aktuator können vorzugsweise elektromagnetische Aktuatoren verwendet werden. In dieser Regelanordnung kann das Abschaltkriterium aus dem Stellwert des Geschwindigkeitsreglers 24 abgeleitet werden.
In 8 ist ein Regelregime dargestellt, bei welchem die Drehzahl mit der gleichen Regelanordnung wie in 6 gezeigt konstant gehalten wird. Ein Wandler (22) setzt das an der Welle des Mahlstempels aufgenommene Drehmoment in ein Einheitssignal um. Dieses wird nunmehr dem Regler (21) als Istwert zugeführt. Dieser Regler ermittelt daraus in Abhängigkeit von der Sollwertvorgabe die Stellgröße für den Aktuator (20). In dieser Anordnung kann das Mahlergebnis entweder am Stellwert des Geschwindigkeitsreglers (wie in der Zeichnung gezeigt) oder am Stellwert des Kraftreglers abgenommen werden (nicht in der Zeichnung dargestellt). In dieser Reglerkonfiguration wird das Abschaltkriterium aus dem Stellwert eines der Regler abgeleitet, die Erkennung erfolgt wie bei 7 beschrieben.
Gemäß einer weiteren Anordnung, welche vorliegend nicht als Figur gezeigt ist, kann die die Kraftmessung auch indirekt erfolgen. Als Aktuator dient in einer solchen Anordnung ein Kolben oder ein Membranaktuator. In diesen Aktuatoren erfolgt die Erzeugung der Kraft durch eine Beaufschlagung mit Druck. Als Medium zur Druckübertragung kann eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet werden. Durch die geometrischen Eigenschaften des Aktuators ist das Übersetzungsverhältnis Druck in Kraft bestimmt. Folglich kann durch eine Druckregelung die Kraft des Aktuators definiert werden. Die Druckregelung besteht aus den Komponenten Wandler Druck in Einheitssignal (27), dem Regler mit Sollwertvorgabe S_p (21), dem Stellglied (29) und der Versorgung mit unter Druck stehendem Steuerfluid (30).
Unabhängig von den aus den Regelsignalen abgeleiteten Kriterien kann in der Vorrichtung an Stelle des Anschlags (oder zusätzlich hierzu) bevorzugt ein Abstandssensor eingebaut werden. Dieser Abstandssensor wird vorzugsweise auf einen festen Abstandswert eingestellt und liefert bei Erreichen dieses Zielabstands eine digitale Information, die zur Unterbrechung des Mahlvorgangs führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liefert der Abstandssensor ein kontinuierlich mit dem Abstand korrelierendes Signal. In einer geeigneten Auswerteeinheit wird das Signal des Sensors zur Abschaltung des Mahlvorgangs ausgewertet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Mikrofon zur Aufnahme des Luftschalls in der Nähe des Mahlsiebs. Bei abnehmender Füllung des Mahlaggregats kann es zu leichtem Touchieren des Mahlstempels am Mahlsieb kommen. Dies ist an einem Geräusch erkennbar, welches durch eine geeignete Schallanalyse nachgewiesen werden kann.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird an Stelle des Mikrofons ein Körperschallwandler in das Gehäuse (5) des Mahlaggregats eingebaut. Mit abnehmender Füllung des Mahlaggregats reduziert sich der Druck und damit die Entwicklung hochfrequenter Geräuschanteile. Mittels einer Spektralanalyse, bevorzugt in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz oder wenigstens bis 500 kHz, kann die Verschiebung der spektralen Anteile nachgewiesen werden und folglich zum Abschalten des Mahlaggregats ausgenutzt werden.
Insgesamt ist es im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, dass das Abschalten zumindest eines Mahlaggregates auf der Basis zumindest eines der folgenden Signale erfolgt: Schallsignal (vorzugsweise Erkennen von „Kratz"-Geräuschen), Signal eines Endabschalters, Unterschreiten eines vorgegebenen Drehmoments oder Abstandsmessung.

1: Sammelbehälter
2: Siebträger
3: Mahlsieb
4: Kavitäten
5: oberer Positioniereinsatz/Wandung
6: Mahlstempel
7: festes Widerlager
8: seitliche Führung der Antriebswelle, zusammen mit dem festen Lager (7) oder dem beweglichen Lager (9) auch zur Aufnahme der Vertikalen Kräfte geeignet
9: bewegliches Widerlager mit einer zur Erzeugung der Andruckkräften geeigneten Einrichtung, hier dargestellt durch die Pfeile
10: Antriebswelle
11: Getriebe
12: Motor
13: Lager zur Aufnahme axialer und radialer Kräfte
16: Endabschaltungskontakt
18: kraftschlüssige Verbindung des Mahlsiebs und/oder des Siebträgers mit einer Haltestruktur
20: Aktuator
21: Regler mit Sollwertvorgabe S_p
22: Umsetzer Drehmoment in Einheitssignal
23: Registrier-Einrichtung
24: Regler für die Drehzahl mit Sollwertvorgabe S_p
25: Umsetzer Drehzahl in Einheitssignal
26: sich selbst nachstellendes Kraftelement (Feder)
27: Wandler Druck in Einheitssignal
28: fluidisch, krafterzeugender Aktuator
29: Stellglied für das Steuerfluid
30: Zufuhr für das Steuerfluid (komprimiertes Gas oder komprimierte Flüssigkeit)
31: Wandler Kraft in Einheitssignal
32: krafterzeugender Aktuator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 02/04121 [0006, 0006]

Claims

Vorrichtung zur Zerkleinerung von Mahlgut umfassend zumindest ein oberes Mahlaggregat und ein unteres Mahlaggregat, wobei (i) zumindest eines der Mahlaggregate mit einem oder mehreren Hubelement(en) in Wirkverbindung steht und wobei (ii) zumindest ein Mahlaggregat zumindest einen Siebeinsatz enthält, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Siebeinsatz zumindest ein Mahlsieb (3) auf einem Siebträger (2) umfasst, wobei diese beiden Mahlsieb und Siebträger getrennte Einheiten sind, die sich in zumindest einer Raumrichtung relativ zueinander bewegen können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlsieb (3) ein Drahtmaschengewebe umfasst, vorzugsweise mit einer Maschenweite in einem Bereich von 10 μm bis 5000 μm.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siebträger (2) eine Lochplatte mit runden oder länglichen Durchbrüchen ist oder eine Platte, die eine gitterförmige Struktur aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Siebträger starrer, d. h. weniger flexibel und/oder weniger biegsam ist als das Mahlsieb, vorzugsweise dass der Siebträger ein größeres Schermodul aufweist als das Mahlsieb.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mahlaggregat, vorzugsweise das obere Mahlaggregat, zumindest einen Mahlstempel (6) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Mahlgut zugewandte Oberfläche des Mahlstempels mit Kavitäten/Vertiefungen versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Hubelement eine Einrichtung zur Erzeugung von Andruckkräften ist, wobei die Kraftvermittlung bevorzugt über bewegliche und/oder feste Widerlager erfolgt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Mahlaggregate zum parallelen Zerkleinern von Mahlgut parallel nebeneinander angeordnet und über eine gemeinsame Steuerung/Regelung miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest teilweise automatisiert betrieben wird oder werden kann.
Verfahren zum Zerkleinern von Mahlgut, umfassend zumindest die folgenden Schritte: a) Befüllen eines Sammelbehälters, umfassend zumindest einen Siebeinsatz, mit Mahlgut, wobei der Siebeinsatz zumindest einen Mahlsieb und einen Siebträger umfasst; b) Einsatz des Sammelbehälters in eine Aufnahmevorrichtung der Halterung; c) Positionieren eines ersten, oberen, Mahlaggregates über einem zweiten, unteren, Mahlaggregat in einer Weise, dass ein Mahlstempel in den oberen Teil des Sammelbehälters zur Aufnahme von Mahlgut hineinragt; d) Ausführen einer definierten Drehbewegung des Mahlstempels in der horizontalen Ebene, e) Ausführen einer Vertikalbewegung des unteren Mahlaggregats in Richtung des Mahlstempels und/oder des oberen Mahlaggregats in Richtung des Siebeinsatzes des Sammelbehälters, wobei Schritt (e) mit einer Abnahme an Menge an Mahlgut einhergeht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlgut zwischen Mahlstempel und Mahlsieb eingebracht und zerkleinert wird
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturierungen in der Oberfläche des Mahlstempels vorliegen, durch die zumindest teilweise verhindert wird, dass Mahlgut in den Ringspalt gepresst wird, welcher sich zwischen dem Mahlstempel und dem Sammelbehälter bildet oder bilden kann.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass ein steifer Siebträger mit einem weniger steifen Mahlsieb kombiniert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10–13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der zumindest zwei Mahlaggregate auch eine Siebfunktion hat.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (d) und (e) simultan ausgeführt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10–15, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (d) die Drehbewegung des Mahlstempels entweder mittels einer oszillierenden Bewegung oder mittels einer rotierenden Bewegung erfolgt.