DE102016211418A1

DE102016211418A1 - Verfahren und Produktionsanlage zur Herstellung von Hohlkugeln aus Perlit

Info

Publication number: DE102016211418A1
Application number: DE102016211418.2A
Authority: DE
Inventors: Hans Veit Dennert
Original assignee: Dennert Poraver GmbH
Current assignee: Dennert Poraver GmbH
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln (M) aus Perlit und eine zugehörige Produktionsanlage (1) angegeben. Verfahrensgemäß werden Brenngutpartikel (G) aus gemahlenem Rohperlit herangezogen. Die Brenngutpartikel (G) werden mit einem pulverförmigen Trennmittel (T) in einem Intensivmischer (3) vermischt. Das Gemisch aus Brenngutpartikeln (G) und Trennmittel (T) wird in eine Brennkammer (31) eines Ofens (4) eingegeben, in der die Brenngutpartikel (G) zu den gewünschten Hohlkugeln (M) expandiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln, insbesondere Mikrohohlkugeln, aus Perlit. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Produktionsanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Mikrohohlkugeln aus Glas, also etwa sphärische, im Wesentlichen monozellulär expandierte Partikel mit typischen Durchmessern im Sub-Millimeterbereich (ca. 1 bis 1.000 Mikrometer), werden vielfach als Leichtzuschlagstoffe in Kompositmaterialien und Leichtbeton eingesetzt. Des Weiteren finden diese – auch als „microspheres“ bezeichneten – Mikrohohlkugeln unter anderem Verwendung in der Medizin sowie der Verbrauchsgüterindustrie.
Ein Verfahren zur Herstellung von Mikrohohlkugeln ist beispielsweise aus US 3,230,064 A bekannt. Danach ist zur Herstellung der Mikrohohlkugeln ein Vertikalofen (auch als „Schachtofen“ bezeichnet) vorgesehen, in dessen Brennkammer mittels eines Brenners eine aufwärts gerichtete heiße Gasströmung erzeugt wird. In die Brennkammer dieses Vertikalofens werden Brenngutpartikel aus einem ein Treibmittel enthaltenden Material eingebracht. In der heißen Gasströmung werden die Brenngutpartikel aufgeschmolzen. Des Weiteren wird durch das Treibmittel in den aufgeschmolzenen Brenngutpartikeln Gas erzeugt, durch welches die Brenngutpartikel zu den gewünschten Mikrohohlkugeln aufgebläht (expandiert) werden. Aufgrund ihrer erniedrigten Dichte schwimmen die Mikrohohlkugeln in der Gasströmung auf und werden zusammen mit der Gasströmung durch einen am oberen Ende des Vertikalofens angeordneten Gasauslass aus der Brennkammer ausgetragen. Die ausgetragenen Mikrohohlkugeln werden in einem dem Vertikalofen nachgeschalteten Zyklon-Abscheider oder einem Sackfilter von der Gasströmung getrennt.
Als Brenngut für die Herstellung von Mikrohohlkugeln werden üblicherweise, so z.B. gemäß US 5,256,180 A , Partikel eines Glasmehls herangezogen. Alternativ ist aus US 2,978,340 A bekannt, das Brenngut zur Herstellung von Mikrohohlkugeln aus einer wässrigen Suspension (Slurry) eines silikatischen Materials mit einem Treibmittel und weiteren stabilisierenden Zugaben zu gewinnen.
Andererseits werden als Leichtzuschlagstoff häufig expandierte Perlitgranulate eingesetzt. In seinem natürlich vorkommenden Zustand ist Perlit ein alteriertes, d.h. chemisch und physikalisch umgewandeltes Naturglas vulkanischen Ursprungs. Charakteristisch für Perlit ist dabei eine durch Verwitterungsprozesse entstandene Wassereinlagerung, die mit einer teilweisen Entglasung verbunden ist und zu einer körnigen, brüchigen Gesteinsstruktur führt.
Expandierte Perlitgranulate werden üblicherweise in Schachtöfen in direktem Flammkontakt hergestellt. Solche Verfahren sind beispielsweise aus US 2,431,884 A und DE 198 54 390 A1 bekannt. Während des Expansionsprozesses im Schachtofen kommt es zu einer explosionsartigen Verdampfung des in dem Rohperlit enthaltenen Wassers, wodurch die Perlit-Partikel – ähnlich wie Pop-Corn – auf das 10- bis 20-Fache ihrer ursprünglichen Größe expandiert werden. Das Resultat dieses Expansionsprozesses sind Schaumpartikel, die sich durch ein äußerst geringes Schüttgewicht auszeichnen. Nachteiligerweise haben übliche expandierte Perlitpartikel allerdings eine sehr unregelmäßige Außenkontur und einen hohen Anteil an offenen Poren. Zudem weisen expandierte Perlitpartikel typischerweise eine nur geringe mechanische Stabilität auf.
Aus US 5,002,696 A ist ein Verfahren zur Herstellung von hohlen, sphärischen und geschlossenporigen Partikeln auf Basis von Perlit bekannt, die im Vergleich zu gewöhnlichem, geblähtem Perlit eine verbesserte Stabilität aufweisen. Hierbei wird gemahlenes Rohperlit am oberen Ende eines elektrisch beheizten Vertikalofens eingegeben, den die Perlitpartikel während des Expansionsprozesses fallend durchlaufen.
Ein Verfahren zur Herstellung von Mikrohohlkugeln auf Basis von Perlit ist schließlich aus US 3,961,978 A bekannt. Dort wird eine Mischung aus einem feingemahlenen Perlitmehl und einem Bindemittel aus einer wässrigen Natrium-Lignosulfonatlösung schwebend in einem gasförmigen Medium expandiert. Für den Expansionsprozess wird wiederum ein Vertikalofen herangezogen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren sowie eine effektiv betreibbare Produktionsanlage zur Herstellung von Hohlkugeln aus Perlit anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Produktionsanlage wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung der Hohlkugeln als Brenngut gemahlenes Rohperlit herangezogen. Die Brenngutpartikel werden dabei in einem dem Expansionsprozess vorgeschalteten Schritt in einem Intensivmischer mit einem pulverförmigen Trennmittel vermischt. Das resultierende Gemisch aus den Brenngutpartikeln (also den Rohperlitpartikeln) und dem Trennmittel wird anschließend in eine Brennkammer eines Ofens eingegeben und dort zu den gewünschten Hohlkugeln expandiert.
Als „Hohlkugeln aus Perlit“ werden allgemein im Wesentlichen monozellulär expandierte Perlit-Partikel mit einer zumindest annähernd sphärischen Außenkontur bezeichnet, also Partikel mit einem zentralen Hohlraum, der von einer glasartigen Wand aus geschmolzenem und wiedererstarrten Perlit gebildet ist. Die Wand kann hierbei allerdings mikrokristalline Bereich und/oder Bläschen (d.h. weitere Hohlräume mit gegenüber dem zentralen Hohlraum um mindestens einen Faktor 10 kleinerem Durchmesser) enthalten. Bei den Hohlkugeln handelt es sich bevorzugt um Mikrohohlkugeln, also Hohlkugeln mit typischen Durchmessern im Sub-Millimeterbereich (ca. 1 bis 1.000 Mikrometer).
Als „Rohperlit“ wird nicht-expandiertes Perlit bezeichnet, das gegenüber dem Abbauzustand allerdings optional gemahlen, hinsichtlich der Partikelgröße fraktioniert und/oder hinsichtlich des Wassergehalts vorkonditioniert sein kann. Bevorzugt wird Perlitsand verwendet, der – in seinem natürlichen Zustand oder durch Vorkonditionierung (Aufheizung) – einen Wassergehalt von 1–6 Massen-%, insbesondere 2–4 Massen-% aufweist. Die Durchmesser der eingesetzten Brenngutpartikel liegen dabei vorzugsweise zumindest überwiegend zwischen 5 Mikrometern und 300 Mikrometern, woraus in dem Expansionsprozess vorzugsweise Mikrohohlkugeln entstehen, deren Durchmesser – wiederum zumindest überwiegend – zwischen 10 Mikrometern und 500 Mikrometern liegen.
Als „Intensivmischer“ wird ein Mischer bezeichnet, bei dem der Mischvorgang bei einem Leistungseintrag von mindestens etwa 2 Kilowatt pro 100 Kilogramm Mischgut durchgeführt wird, oder dessen Mischwerkzeug sich bei dem Mischvorgang mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 15 Metern pro Sekunde bewegt. Bevorzugt weist der erfindungsgemäß eingesetzte Intensivmischer einen Leistungseintrag von mindestens 5 Kilowatt pro 100 Kilogramm Mischgut, insbesondere von mindestens 10 Kilowatt pro 100 Kilogramm auf. Die Umfangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs des erfindungsgemäß eingesetzten Intensivmischers liegt bevorzugt bei mindestens 30 Metern pro Sekunde. Die Brenngutpartikel und das Trennmittel werden für eine Mischdauer, die insbesondere zwischen 1 Minute und 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 1,5 Minuten und 5 Minuten liegt, dem Mischvorgang im Intensivmischer unterzogen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Hohlkugeln zeichnen sich durch hohe chemische und mechanische Beständigkeit, insbesondere eine hohe Druckfestigkeit aus. Sie haben eine geschlossene Oberfläche und weisen dementsprechend eine geringe Wasseraufnahme auf. Zudem weisen die erfindungsgemäß hergestellten Hohlkugeln im Vergleich zu gewöhnlichen Hohlkugeln aus Glas vorteilhafterweise einen geringen Alkaligehalt auf. Aufgrund dieser Eigenschaften sind die erfindungsgemäß hergestellten Hohlkugeln hervorragend zur Verwendung als Leichtzuschlagstoff geeignet.
Wie sich in Versuchen gezeigt hat, wird durch die intensive Vermischung der Brenngutpartikel mit dem Trennmittel zum einen die Trennwirkung des letzteren erheblich verstärkt. Zum anderen hat sich gezeigt, dass durch diesen Schritt zudem auch die Bildung von Hohlkugeln (also im Wesentlichen monozellulär expandierten Partikeln) effektiv gefördert wird. Als besonders geeignet zur Erzielung dieses Effektes hat sich dabei die Verwendung von Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃) als Trennmittel herausgestellt, so dass dieses Trennmittel bevorzugt eingesetzt wird. Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung jedoch auch – alleine oder in Kombination mit Aluminiumhydroxid – ein anderes Trennmittel, beispielsweise Aluminiumoxid, Kaolin oder Magnesiumhydroxid, eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird für den Expansionsprozess ein Drehrohrofen eingesetzt, da sich hierdurch – im Vergleich zu der Herstellung in anderen Ofentypen – mit vergleichsweise einfachen Mitteln, insbesondere vergleichsweise geringem Energieaufwand ein besonders hoher Produktionsdurchsatz erzielen lässt. Es hat sich dabei gezeigt, dass die dem Expansionsprozess vorausgehende Intensivmischung der Brenngutteilchen mit dem Trennmittel eine wirtschaftlich sinnvolle Nutzung des Drehrohrofens zur Herstellung der Hohlkugeln erst möglich macht, zumal auf diese Weise die im Drehrohr und bei kleinen Partikeln besonders stark in Erscheinung tretende Klebeneigung der Brenngutpartikel und der daraus entstehenden Hohlkugeln hinreichend unterdrückt wird.
Es wird dabei vorzugsweise ein indirekt beheizter Drehrohrofen verwendet, wobei die indirekte Beheizung zweckmäßigerweise durch Befeuerung der Außenseite des Drehrohrs erzeugt wird. Alternativ hierzu kann grundsätzlich im Rahmen der Erfindung auch ein elektrisch beheizter Drehrohrofen eingesetzt werden. Wiederum alternativ wird ein direkt beheizter Drehrohrofen eingesetzt, bei dem die Heißgase eines Brenners durch die Brennkammer geleitet werden.
Vorzugsweise wird zum Mischen der Brenngutpartikel mit dem Trennmittel ein Intensivmischer nach Eirich verwendet. Ein Intensivmischer nach Eirich umfasst einen schräg stehenden, rotierenden Mischbehälter, in dem ein exzentrisch angeordnetes Mischwerkzeug das Mischgut gegenläufig zur Drehrichtung des Rührbehälters rührt, wodurch eine besonders hohe Mischqualität erzielt wird. Weiterhin kennzeichnend für den Intensivmischer nach Eirich ist das Mischwerkzeug selbst, das etwa sternförmig ausgebildet ist, und hierdurch eine Vielzahl von Kanten aufweist. Die Kanten bewirken eine besonders effektive Homogenisierung des Mischguts. Weiterhin zeigt sich der Intensivmischer nach Eirich insofern als vorteilhaft, als dort eine – in anderen Mischern mitunter beobachtete Entmischung des Mischguts – kaum oder in nur sehr geringem Maße festgestellt wird. Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung aber auch ein anderer Intensivmischer, z.B. ein Intensivmischer nach Lödige, zur Mischung der Brenngutpartikel mit dem Trennmittel eingesetzt werden.
Der Expansionsprozess wird vorzugsweise bei einer Brenntemperatur durchgeführt, die zwischen 900°C und 1.150°C, insbesondere zwischen 960°C und 1.050°C liegt. Bei Verwendung eines Drehrohrofens für den Expansionsprozess liegt die Verweilzeit der Brenngutpartikel (bzw. der entstehenden Hohlkugeln) in der Brennkammer vorzugsweise zwischen etwa 2 Minuten und etwa 10 Minuten, insbesondere etwa zwischen 4 Minuten und 6 Minuten. Optional werden die Brenngutpartikel vor der Eingabe in die Brennkammer vorgeheizt, beispielsweise auf eine Temperatur von ca. 700°C, um den Durchsatz des Drehrohrofens zu steigern.
Optional wird in der Brennkammer ein Temperaturprofil eingestellt, bei dem die Temperatur in Förderrichtung längs der Brennkammer auf eine Maximaltemperatur ansteigt. In zweckmäßiger Ausbildung des Verfahrens wird diese Maximaltemperatur (wiederum in Längsrichtung der Brennkammer gesehen) etwa in der Ofenmitte erreicht. Der stromab gelegene Bereich der Brennkammer bleibt bei dieser Verfahrensvariante unbeheizt und fungiert als Kühlrohr.
Die erfindungsgemäße Produktionsanlage zur Herstellung von Hohlkugeln aus Perlit umfasst einen Ofen mit einer Brennkammer sowie eine Beschickungseinrichtung, mittels welcher die Brennkammer mit Brenngutpartikeln aus gemahlenem Rohperlit sowie mit einem Trennmittel beschickbar ist. In der Brennkammer ist eine die Erweichungstemperatur des Rohperlits überschreitende Brenntemperatur erzeugbar, bei der die Brenngutpartikel zu den Hohlkugeln expandiert werden.
Zusätzlich umfasst die Produktionsanlage einen dem Ofen verfahrenstechnisch vorgeschalteten Intensivmischer zur Vermischung der Brenngutpartikel mit dem Trennmittel, wobei der Intensivmischer insbesondere als Intensivmischer nach Eirich ausgeführt ist.
Der Ofen ist vorzugsweise als Drehrohrofen ausgestaltet. Die Brennkammer des Drehrohrofens ist dabei vorzugsweise indirekt beheizt, wobei die indirekte Beheizung insbesondere durch Gasbefeuerung erzeugbar ist. Der Drehrohrofen ist insbesondere zur Einstellung eines Temperaturprofils der vorstehend beschriebenen Art entlang der Brennkammer eingerichtet.
Zusätzlich oder alternativ ist dem Drehrohrofen prozesstechnisch ein Vorwärmer vorgeschaltet, der zur Vorheizung der Brenngutpartikel – z.B. auf eine Temperatur von etwa 700°C – dient.
Die Produktionsanlage ist insbesondere zur automatischen Ausführung des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. In Hinblick auf weitere bevorzugte Ausgestaltungsformen der Produktionsanlage wird entsprechend auf die vorstehenden Ausführungen zu diesem Verfahren verwiesen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in grob schematisch vereinfachter Darstellung eine Produktionsanlage zur Herstellung von Mikrohohlkugeln aus Perlit, mit einem Intensivmischer zur Vermischung von Brenngutpartikeln aus Rohperlit mit einem Trennmittel sowie mit einem Drehrohrofen, in den das Gemisch aus Brenngutpartikeln und Trennmittel eingebracht wird, so dass die Brenngutpartikel zu den gewünschten Mikropartikeln expandiert werden, und
2 eine mikroskopische Aufnahme von Mikrohohlkugeln, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.
Einander entsprechende Teile und Strukturen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in grob schematischer Vereinfachung eine Produktionsanlage 1 zur Herstellung von Mikrohohlkugeln M aus Perlit, deren typische Durchmesser in einem Bereich zwischen 10 und 500 Mikrometern liegen.
Die Produktionsanlage 1 umfasst als Kernkomponenten einen Intensivmischer 3 zur Vermischung von Brenngutpartikeln G aus (nicht expandiertem) Rohperlit mit einem pulverförmigen Trennmittel T, einen als Drehrohrofen 4 ausgeführten Brennofen zur Expansion der Brenngutpartikel G zu den gewünschten Mikrohohlkugeln M, sowie eine nicht explizit dargestellte Steuereinheit zum automatischen Betrieb der Produktionsanlage 1.
Weiterhin umfasst die Produktionsanlage 1 mehrere Vorlage- oder Pufferbehälter zur Lagerung von Ausgangsstoffen bzw. Hilfsstoffen oder Zwischenprodukten, einige Klassier-, Filter- und Temperiereinrichtungen, die nur teilweise dargestellt sind, sowie mehrere Dosier-, Beschickungs-, und Fördereinrichtungen (jeweils durch Pfeile angedeutet), die jeweils dazu dienen, das in der Produktionsanlage 1 verarbeitete Gut – in Reaktion auf eine entsprechende Ansteuerung der Steuereinheit – in einer vorgegebenen Reihenfolge sowie in einer vorgegebenen Menge in die einzelnen Behälter und Apparate zu dosieren, oder aus ihnen herauszuleiten.
Konkret umfasst die Produktionsanlage 1 einen ersten Silo 5 zur Bevorratung der Brenngutpartikel G, einen zweiten Silo 8 zur Bevorratung des pulverförmigen Trennmittels T sowie einen Pufferbehälter 10 zur Speicherung der in dem Intensivmischer 3 entstehenden homogenen Mischung aus Brenngutpartikeln G und Trennmittel T.
Der Intensivmischer 3 ist als ein Intensivmischer nach Eirich ausgeführt. Der Intensivmischer 3 umfasst einen im Wesentlichen becherförmigen Mischbehälter 15, der um seine gegenüber der Vertikalen schräg stehende Längsachse 16 rotierbar gelagert ist. Ein gegenläufig zu dem Mischbehälter 15 rotierbares Mischwerkzeug 17 ist parallel zur Längsachse 16 exzentrisch in dem Mischbehälter 15 angeordnet. Der Mischbehälter 15 ist über eine verschließbare Deckelöffnung 18 beschickbar und über eine ebenfalls verschließbare zentral angeordnete Bodenöffnung 19 entleerbar. Das Mischwerkzeug 17 umfasst ein im Wesentlichen sternförmig ausgebildetes Rührelement 20. In den Mischbehälter 15 ragt weiterhin ein hier nicht dargestellter statischer Wand- und Boden-Abstreifer hinein. Es wird beispielsweise ein Intensivmischer nach Eirich eingesetzt, der einen Leistungseintrag von mindestens 10 Kilowatt pro 100 kg Mischgut und eine Umfangsgeschwindigkeit an der äußersten Stelle des Mischwerkzeugs 17 von mindestens 30 Metern pro Sekunde aufweist.
Der Drehrohrofen 4 umfasst in herkömmlicher Weise ein lang ausgedehntes hohlzylindrisches Drehrohr 30 aus hochtemperaturfestem Stahl, in dessen Innenraum eine Brennkammer 31 ausgebildet ist. Das Drehrohr 30 ist um seine gegenüber der Horizontalen leicht geneigt angeordnete Längsachse 33 rotierbar gelagert. Das Drehrohr 30 ist größtenteils von einer feststehenden Ummantelung 35 eingehaust, so dass zwischen dem Drehrohr 30 und der Ummantelung 35 ein Ringspalt gebildet ist. Der Ringspalt ist mittels mehrerer, über die Länge des Drehrohrs 30 verteilt angeordneter gasbetriebener Brenner 36 befeuert, so dass die Brennkammer 31 über die Mantelfläche des Drehrohres 30 indirekt beheizt wird. Durch die Anordnung der Brenner 36 und/oder die Einstellung der Brennerleistung ist dabei in der Brennkammer 31 im Betrieb der Produktionsanlage 1 ein Temperaturprofil der nachstehend beschriebenen Art eingestellt.
Bei den in dem Silo 5 gelagerten Brenngutpartikeln G handelt es sich um ein Granulat aus Rohperlit. Beispielsweise wird in dem Silo 5 ein kommerziell erhältlicher vorkonditionierter Perlitsand gelagert. Die Brenngutpartikel G liegen dabei beispielsweise mit einer Partikelgrößenverteilung vor, die durch folgende D-Werte gekennzeichnet ist: D₁₀:45,47 µm, D₅₀:162,0 µm, D₉₀:253,3 µm und D₉₇:361,2 µm, wobei für jeden D-Wert volumenmäßig jeweils 10, 50, 90 bzw. 97 % der Partikel einen Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich dem jeweils angegebenen Wert ist.
Optional können die Brenngutpartikel G im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens durch Zermahlen von grobkörnigerem Rohperlit in der Produktionsanlage 1 hergestellt werden. Die Produktionsanlage 1 umfasst in dieser Ausführung zusätzlich ein entsprechendes Mahlwerkzeug, beispielsweise eine Kugelmühle, sowie eine entsprechende Klassiereinrichtung (beispielsweise Siebe) zur geeigneten Fraktionierung des gemahlenen Rohperlits.
Bei dem in dem Silo 8 gelagerten Trennmittel T handelt es sich beispielsweise um das als Flammschutzmittel vertriebene pulverförmige Produkt Apyral 40CD der Firma Nabaltec. Das Trennmittel T zeichnet sich durch einen Aluminiumhydroxid-Gehalt von 99,5 % aus. Die Partikelgrößenverteilung des Pulvers ist durch die Werte D₁₀ = 0,6 Mikrometer, D₅₀ = 1,3 Mikrometer und D₉₀ = 3,2 Mikrometer charakterisiert.
Im Betrieb der Produktionsanlage 1 wird mittels einer Dosiereinrichtung 40 zunächst eine bestimmte Menge an Brenngutpartikeln G und Trennmittel T in den Intensivmischer 3 gefördert.
Die durch Pfeile angedeutete Dosiereinrichtung 40 umfasst hierzu beispielsweise eine unterhalb der zugehörigen Silos 5 und 8 angeordnete Vibrationsrinne (Mischrinne) die zu dem Intensivmischer 3 führt, und mittels derer die vorgenannten Stoffe in den Mischbehälter 15 des Intensivmischers 3 gefördert werden können. Die Einstellung des gewünschten Mengenverhältnisses erfolgt beispielsweise mittels einer Waage. Alternativ erfolgt die Einstellung volumetrisch, beispielsweise mittels den Silos 5, 8 zugeordneter Zellenradschleusen oder Förderschnecken.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird in der Mischrinne ein Vor-Gemisch aus Brenngutpartikeln G und Trennmittel T hergestellt, wobei das Trennmittel T mit einem Anteil von etwa 5 Massen-% bis 25 Massen-% vorliegt.
In alternativer Ausführung der Produktionsanlage 1 ist die Mischrinne nicht vorgesehen, wobei in diesem Fall Brenngutpartikel G und Trennmittel T jeweils separat in den Intensivmischer 3 dosiert werden, so dass dort das gewünschte Mischungsverhältnis erzeugt wird.
Der Mischvorgang erfolgt satzweise, wobei jeweils eine Charge des Vor-Gemischs einem Mischvorgang unterzogen wird. Das Vor-Gemisch aus Trennmittel T und Brenngutpartikeln G wird für eine Mischdauer von 5 Minuten in dem Intensivmischer 3 homogenisiert. Dabei liegt beispielsweise eine maximale Rührergeschwindigkeit von etwa 30,9 Meter pro Sekunde vor – angegeben ist hierbei die Umfangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs 17 an dessen größten Durchmesser, d.h. am Außenumfang des Rührelements 20 – bei einer gegenläufigen Drehzahl des Mischbehälters 15 von 170 Umdrehungen pro Minute oder 1,5 Metern pro Sekunde.
Nach Abschluss des Mischvorgangs wird das Gemisch aus Brenngutpartikeln G und Trennmittel T über die Bodenöffnung 19 aus dem Mischbehälter 15 ausgetragen und in den dem Intensivmischer 3 prozesstechnisch nachgeschalteten Pufferbehälter 10 gefördert. Prinzipiell ist es auch möglich, dass der Mischvorgang kontinuierlich erfolgt, wobei der Pufferbehälter 10 dann entfallen kann.
Aus dem Pufferbehälter 10 wird das Gemisch aus Brenngutpartikeln G und Trennmittel T mittels einer hier nicht explizit dargestellten Beschickungseinrichtung 45 der Brennkammer 31 des Drehrohrofens 4 zugeführt. In der Brennkammer 31 wird im Betrieb der Produktionsanlage 1 mittels der Brenner 36 eine die Erweichungstemperatur des Rohperlits enthaltenen Glasanteils überschreitende Brenntemperatur von beispielsweise 960°C erzeugt, bei der die Brenngutpartikel G in einem Zeitraum von etwa 4 bis 10 Minuten sukzessive zu den gewünschten Mikrohohlkugeln M aufblähen. Die erzeugten Mikrohohlkugeln M werden aus der Brennkammer 31 ausgetragen und nach einem Kühl- und Sortierschritt einem Produktreservoir zugeführt (hier nicht dargestellt). Das Trennmittel T wird durch Sieben oder Windsichten von den Mikrohohlkugeln M getrennt. Das bei dem Brennprozess zu Aluminiumoxid (Al₂O₃, Korund) oxidierte Trennmittel wird optional teilweise weiterverwendet, wobei das Trennmittel dann insbesondere zu Beginn des Brennprozesses bei der Eingabe in die Brennkammer den Brenngutpartikeln G zugemischt wird. Optional wird zusätzlich zu dem bereits in dem Intensivmischer 3 zugegebenen Trennmittel T bei der Eingabe der Brenngutpartikel G in den Drehrohrofen 3 weiteres Trennmittel (der gleichen oder einer anderen Art) zudosiert.
Des Weiteren werden die Mikrohohlkugeln M durch Windsichten von Schlechtpartikeln wie beispielsweise nicht expandierten oder multizellulär expandierten Partikeln getrennt, die bei dem Brennprozess in geringem Umfang neben den gewünschten Mikrohohlkugeln M entstehen. Die Schlechtpartikel werden verworfen oder einer anderweitigen Verwendung zugeführt.
In 2 ist eine Mikroskopaufnahme von erfindungsgemäß hergestellten Mikrohohlkugeln M dargestellt, wobei die Vergrößerung aus dem in der Figur unten rechts eingezeichneten Maßstab erkennbar ist. Diese Mikrohohlkugeln M wurden in einer Produktionsanlage 1 gemäß 1 im Technikumsmaßstab hergestellt.
Zur Herstellung wurden ca. 30 Kilogramm Rohperlitsand mit der vorstehend beschriebenen Größenverteilung als Brenngutpartikel G mit Aluminiumhydroxid als Trennmittel T mit einem Trennmittelanteil von 13 % der Gesamtmasse des Gemischs in dem Intensivmischer 3 (nach Eirich) gemischt. Es wurde dabei vorkonditionierter Perlitsand verwendet, der auf einen Wassergehalt von etwa 2 Massen%, eingestellt war. Der Mischvorgang erfolgte für 100 Sekunden bei einer maximalen Rührergeschwindigkeit von etwa 30,9 Meter pro Sekunde – angegeben ist wiederum die Umfangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs 17 an dessen größten Durchmesser – bei einer gegenläufigen Drehzahl des Mischbehälters 15 von 170 Umdrehungen pro Minute bzw. 1,5 Metern pro Sekunde. Der Intensivmischer 3 wies dabei einen Leistungseintrag von 180 Watt auf 860 Gramm Mischgut auf (d.h. etwa 20 Kilowatt pro 100 Kilogramm Mischgut).
Das resultierende Gemisch aus Brenngutpartikeln G und Trennmittel T wurde in dem indirekt beheizten Drehrohrofen 4 expandiert. In dem Drehrohrofen 4 war ein Temperaturgradient eingestellt, bei dem die Ofentemperatur in drei Temperaturzonen stufenweise von 970°C auf 985°C erhöht wurde. Die höchste Temperatur wurde hierbei etwa in der Ofenmitte erreicht. Die austragsseitige Ofenhälfte wurde nicht beheizt und diente als Kühlrohr. Die Gesamtverweilzeit der Partikel im Drehohrofen 4 lag bei etwa 6 bis 8 Minuten.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Brenngutpartikel G im Zuge des vorgestellten Verfahrens überwiegend zu den gewünschten Mikrohohlkugeln M expandieren, d.h. die meisten in dem Verfahren hergestellten Partikel sind monozellulär expandierte Partikel mit einem einzelnen zentralen Hohlraum, der von einer vergleichsweise dünnen Wand umgeben ist, wobei die entstehenden Hohlkörper zu einem Großteil eine zumindest annähernd sphärische Außenkontur aufweisen.
Es werden nur wenige multizellulär expandierte Partikel erzeugt, die in ihrem Kern mehrere Hohlräume vergleichbarer Größe aufweisen. Die hergestellten Mikrohohlkugeln M weisen relativ einheitlich eine Größe (Durchmesser) von etwa 125 Mikrometern bis 280 Mikrometern auf.
Messungen haben bestätigt, dass sich die erfindungsgemäß hergestellten Mikrohohlkugeln M durch eine vergleichsweise hohe Druckstabilität auszeichnen. Die gemäß ASTM 3201-72 bestimmte isostatische Druckbeständigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Mikrohohlkugeln M liegt beispielsweise je nach Körnungsgröße zwischen 118 bar und 514 bar mit 90 % verbleibenden intakten Sphären. Herkömmliches Blähperlit (mit „Pop-Corn“-Struktur) weist dagegen unter den gleichen Bedingungen lediglich eine Druckbeständigkeit von 17 bar bis 48 bar mit 90% verbleibenden unzerstörten Perlitkörnern auf.
Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste

1: Produktionsanlage
3: Intensivmischer
4: Drehrohrofen
5: Silo
8: Silo
10: Pufferbehälter
15: Mischbehälter
16: Längsachse
17: Mischwerkzeug
18: Deckelöffnung
19: Bodenöffnung
20: Rührelement
30: Drehrohr
31: Brennkammer
33: Längsachse
35: Ummantelung
36: Brenner
40: Dosiereinrichtung
45: Beschickungseinrichtung
G: Brenngutpartikel
M: Mikrohohlkugel
T: Trennmittel

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

US 3230064 A [0003]
US 5256180 A [0004]
US 2978340 A [0004]
US 2431884 A [0006]
DE 19854390 A1 [0006]
US 5002696 A [0007]
US 3961978 A [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM 3201-72 [0053]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln (M) aus Perlit, – wobei Brenngutpartikel (G) aus gemahlenem Rohperlit herangezogen werden, – wobei die Brenngutpartikel (G) mit einem pulverförmigen Trennmittel (T) in einem Intensivmischer (3) vermischt werden, – wobei das Gemisch aus Brenngutpartikeln (G) und Trennmittel (T) in eine Brennkammer (31) eines Ofens (4) eingegeben wird, und – wobei die Brenngutpartikel (G) in der Brennkammer (31) zu den gewünschten Hohlkugeln (M) expandiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Trennmittel (T) Aluminiumhydroxid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Mischen der Brenngutpartikel (G) mit dem Trennmittel (T) ein Intensivmischer (3) nach Eirich verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Expansionsprozess in einem Drehrohrofen (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Verweilzeit der Brenngutpartikel (G) in der Brennkammer (31) des Drehrohrofens (4) etwa zwischen 2 Minuten und 10 Minuten, insbesondere zwischen 4 Minuten und 6 Minuten, liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Brennkammer (31) des Drehrohrofens (4) indirekt beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Durchmesser der Brenngutpartikel (G) zumindest überwiegend zwischen 5 Mikrometern und 300 Mikrometern liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brenntemperatur zwischen 900°C und 1.150°C, insbesondere zwischen 960°C und 1.050°C liegt.
Produktionsanlage (1) zur Herstellung von Hohlkugeln (M) aus Perlit, – mit einem Ofen (4), der eine Brennkammer (31) umfasst, – mit einem dem Ofen (4) vorgeschalteten Intensivmischer (5) zur Vermischung eines pulverförmigen Trennmittels (T) mit Brenngutpartikeln (G) aus gemahlenem Rohperlit, sowie – mit einer Beschickungseinrichtung (45), mittels welcher die Brennkammer (31) mit dem Gemisch aus den Brenngutpartikeln (G) und dem Trennmittel (T) beschickbar ist, wobei in der Brennkammer (31) eine die Erweichungstemperatur des Rohperlits überschreitende Brenntemperatur erzeugbar ist, bei der die Brenngutpartikel (G) zu den Hohlkugeln (M) expandieren.
Produktionsanlage (1) nach Anspruch 9, wobei der Intensivmischer (3) als Intensivmischer nach Eirich ausgeführt ist.
Produktionsanlage (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Ofen ein Drehrohrofen (4) ist.
Produktionsanlage (1) nach Anspruch 11, wobei die Brennkammer (31) des Drehrohrofens (4) indirekt beheizt ist.