DE102021002671A1 - Verfahren zur Ermittlung des optimalen Düsenabstands in Strahlmühlen und Mahlverfahren zur Erzeugung feinster Partikel - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Mahlung von Mahlgut in einer Fließbettgegenstrahlmühle mit Mahldüsen deren Abstand einstellbar ist, soll ein Verfahren zur Ermittlung des Düsenabstandes unter Berücksichtigung der Art, des Druckes und der Temperatur des Mahlgases aufgezeigt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Düsenabstand in Abhängigkeit vom Mahlgasdruck und von der Mahlgastemperatur vor den Mahldüsen eingestellt wird. Der optimale Düsenabstand sowohl für Lavaldüsen als auch für Mehrfachdüsen formuliert.

Description

• Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des optimalen relativen Abstandes von Mahlgasdüsen zum Betreiben von Strahlmühlen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Mahlverfahren dafür.
• Strahlmühlen und dazugehörige Mahlverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Strahlmahlverfahren wird ein aus einer Düse austretender Gas- oder Dampfstrahl hoher Geschwindigkeit in ein fluidisiertes Bett aus partikelförmigem Material eingeleitet. Die Partikel in der Umgebung des Strahls werden dabei auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, sodass sie beim Aufprall auf ruhende oder entgegenfliegende Partikel oder stationäre Flächen einer Prallzerkleinerung unterzogen werden. Die Zerkleinerung wird häufig mit einer Klassierung kombiniert, sodass das gemahlene Gut im Anschluss an die Zerkleinerung einer Windsichtung unterzogen wird. Dabei wird Feingut von Grobgut getrennt und das Feingut als Produkt aus der Mühle abgezogen. Das Grobgut wird vom Sichtrad abgewiesen und erneut einer Zerkleinerung unterworfen.
  Eine Spezialform der Strahlmühlen sind Fließbettgegenstrahlmühlen.
• Bei Strahlmühlen, insbesondere bei Fließbettgegenstrahlmühlen, ist der Abstand der Mahldüsen vom gemeinsamen Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen ein wichtiger Parameter. Dabei hat sich gezeigt, dass die Mahlung optimiert werden kann, wenn die Abstände der Mahlgasdüsen vom Brennpunkt optimal eingestellt sind.
• Strahlmühlen und dazugehörige Mahlverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
• Die DE 69 124 581 T2 offenbart eine Beziehung zwischen Düsenabstand und Düsendurchmesser bei der Fließbettgegenstrahlmahlung. Dabei entspricht der optimale Düsenabstand, bestimmt aus dem Abstand zwischen Düsenaustrittsöffnung und Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen bei Fließbettgegenstrahlmühlen, üblicherweise dem 20-fachem des Düsendurchmessers.
• Die EP 2 004 329 B1 offenbart eine Berechnungsmöglichkeit für den Zusammenhang zwischen dem Betriebsmitteldruck vor den Mahlstrahleinlässen und dem relativen Düsenabstand als Quotient aus Strahllänge und Düsendurchmesser bei Strahlmühlen.
  Es wird eine konkrete Berechnung des Düsenabstands in Strahlmühlen in Abhängigkeit des Betriebsmitteldrucks vorgeschlagen.
• Dem bisherigen Stand der Technik zur Folge wird der Einfluss der Mahlgastemperatur auf den Düsenabstand vernachlässigt. Dadurch werden die Düsenabstände bei von 20°C abweichenden Mahlgastemperaturen nicht optimal ausgelegt, wodurch die Strahlmühlen und insbesondere die Fließbettgegenstrahlmühlen, in diesen Betriebspunkten nicht die optimale Durchsatzleistung erzielen. Dadurch werden die Strahlmühlen nicht am ökonomischsten Betriebspunkt gefahren. Nachteilig bei der Berechnungsvorschrift nach dem Stand der Technik ist, dass nur eine Druckabhängigkeit des Düsenabstandes aufgezeigt wird. Eine Berücksichtigung der eingesetzten Mahldüsenform erfolgt ebenfalls nicht.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung des Mahlgasdüsenabstandes in Fließbettgegenstrahlmühlen unter Berücksichtigung des Druckes und der Temperatur des Mahlgases vor den Düsen aufzuzeigen, um optimale Durchsatzleistungen bei der Strahlmahlung, speziell der Fließbettgegenstrahlmahlung zu erzielen und die Mühlen am ökonomischsten Betriebspunkt zu fahren. Außerdem wird der optimale Düsenabstand für unterschiedliche Düsenformen formuliert
  Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Mahlverfahren zur Erzeugung von feinen Partikel zu schaffen, wobei der Düsenabstand nach obiger Methode eingestellt wird.
• Bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
  Die Erfindung beschreibt einen druck- und temperaturabhängigen Zusammenhang für den optimalen relativen Düsenabstand der Mahlgasdüsen in Fließbettgegenstrahlmühlen und ein dazugehöriges Mahlverfahren. Es wird hierbei die Düsenform berücksichtigt.
• Bei Strahlmühlen, insbesondere bei Fließbettgegenstrahlmühlen, ist der Abstand der Mahlgasdüsen vom gemeinsamen Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen ein wichtiger Parameter.
  Fließbettgegenstrahlmühlen weisen ein Mahlgehäuse auf, bei dem mehrere Mahlgasdüsen konzentrisch und gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sind, wobei sich die Mittelachsen der Mahlgasdüsen näherungsweise in einem Brennpunkt treffen.
  In einer weiteren Ausgestaltung der Fließbettgegenstrahlmühle kann zusätzlich eine Mahlgasdüse im Bereich unterhalb der konzentrisch angeordneten Mahlgasdüsen, bevorzugt am tiefsten Punkt des Mahlgehäuses angeordnet sein, sodass sich alle Mittelachsen der Mahlgasdüsen näherungsweise in einem Brennpunkt treffen.
  Für einen effizienten Mahlbetrieb muss der Düsenabstand entsprechend den Zuständen des Mahlgases oder Mahldampfes vor den Düsen, wie Temperatur und Druck, optimiert werden, damit die in den Gasstrahlen enthaltene Energie möglichst effektiv in eine Zerkleinerung der Partikel umgesetzt werden kann.
  Außerdem ist die Bauart der Mahlgasdüsen ein relevanter Parameter, der bei der Festlegung des optimalen Düsenabstands zu berücksichtigen ist.
  Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt eine Methode wie sich der optimale relative Düsenabstand in Abhängigkeit von Temperatur und Druck des Mahlgases für Einfachdüsen, sogenannte Lavaldüsen mit einer Düsenöffnung und mehrere dicht nebeneinander angeordnete Lavaldüsen, den sogenannten Mehrfachdüsen, speziell MegaJet®-Düsen, welche im Patent DE 42 43 438 C2 beschrieben sind, ermitteln lässt. Die Erfindung beschreibt einen Zusammenhang zwischen dem relativen Düsenabstand und den Gaszustandsbedingungen Art, Temperatur und Druck. Der absolute Düsenabstand zwischen Mahlgasdüsenaustritt und Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen lässt sich durch die Multiplikation des relativen Düsenabstands mit dem Düsendurchmesser der Mahlgasdüsen berechnen, siehe Formel (4). Wobei zur Berechnung jeweils der Lavaldurchmesser der Düsen verwendet wird. Bei Mehrfachdüsen z.B. MegaJet®-Düsen wird der querschnittsflächenäquivalente Lavaldurchmesser einer Einfachdüse für die Berechnung verwendet.
• Die Erfindung wird unter Zuhilfenahme der 1 bis 4 beschrieben. Sie zeigen:
• 1: Freistrahl aus einer Düse Quelle:
  • Zeitaufgelöste Messung der zweidimensionalen Geschwindigkeitsverteilung in einem instationären Gasfreistrahl;
  • Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Kern- und Energietechnik von K. Rüther, G. Fast, D. Kuhn; 2006
  • Originalquelle: R. Günther, Verbrennung und Feuerungen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1974
  • Zur Information Link zur Quelle: Die Abbildung ist auf Seite 6 https://core.ac.uk/download/pdf/197565902.pdf
• 2: Optimaler relativer Düsenabstand bei einer Fließbettgegenstrahlmühle in Abhängigkeit des Mahlgasdrucks bei einer Mahlgastemperatur von 20 °C für Luft bei Lavaldüsen
• 3: Optimaler relativer Düsenabstand bei einer Fließbettgegenstrahlmühle in Abhängigkeit der Mahlgastemperatur und des Mahlgasdrucks für Luft bei Lavaldüsen
• 4: Optimaler relativer Düsenabstand bei einer Fließbettgegenstrahlmühle in Abhängigkeit des Mahlgasdrucks bei einer Mahlgastemperatur von 20 °C für Luft bei Mehrfachdüsen, hier MegaJet®-Düsen
• 5: Optimaler relativer Düsenabstand bei einer Fließbettgegenstrahlmühle in Abhängigkeit der Mahlgastemperatur und des Mahlgasdrucks für Luft bei Mehrfachdüsen, hier MegaJet®-Düsen
• Für die Ermittlung des optimalen Düsenabstandes in Strahlmühlen wird zunächst ein Freistahl aus einer ausströmenden Düse betrachtet. Ein Freistrahl aus einer ausströmenden Düse, insbesondere auch bei einer Lavaldüse, besteht aus einer Kernströmung, die sich direkt hinter der Düsenmündung ausbildet. Entfernt man sich von der Düsenmündung axial weiter stromabwärts, dann geht die Kernströmung, bei reibungsbehafteten realen Strömungen, in eine Übergangszone über. Axial noch weiter stromabwärts schließt sich der Übergangszone der Ähnlichkeitsbereich mit einem selbstähnlichen Geschwindigkeitsprofil des Düsenstrahls an (vgl. 1). Die Strahlaufweitung erfolgt aufgrund des Impulsaustausches zwischen den Randbereichen des Gasstrahls und dem umgebenden Fluid. Dabei ist die Menge des von außen beschleunigten Fluids in etwa proportional zum axialen Abstand zur Düsenaustrittsöffnung. Dabei nähert sich die Düsenströmung einer selbstähnlichen Form an. Der Ähnlichkeitsbereich eines Freistrahls beginnt ab dem 8- bis 10-fachen axialen stromabwärts gelegenen Abstand des Düsenaustrittsdurchmessers von der Düsenmündung. Für eine effektive und effiziente Zerkleinerung mit einer Strahlmühle, speziell einer Fließbettgegenstrahlmühle, sind unter anderem die folgenden zwei Bedingungen von Bedeutung. Zum einen müssen möglichst viele Partikel die Möglichkeit haben in den Gasstrahl einzudringen und anschließend durch den Gasstrahl beschleunigt werden. Um dies zu gewährleisten ist eine gewisse Strahllänge erforderlich, in der die Partikel eingezogen und beschleunigt werden. Gleichzeitig müssen die Partikel jedoch noch eine möglichst hohe Geschwindigkeit beim Zusammenprall im Brennpunkt der Mittelachsen der konzentrisch angeordneten Mahlgasdüsen aufweisen, damit diese dann letztlich beim Zusammenprall zerkleinert werden können. Dies bedeutet wiederum, dass die Mahlgasdüsen nicht zu weit auseinander liegen dürfen. Daraus ergibt sich ein Optimierungsproblem, das durch diese Erfindung gelöst wird. Den obigen Überlegungen zu Folge lässt sich sicherlich sagen, dass sich der optimale Düsenabstand im Bereich des Ähnlichkeitsbereichs der Düsenströmung befinden wird. Dadurch kann von folgenden Annahmen ausgegangen werden:
• Die axiale Geschwindigkeit des Gasstrahls nach dem Austritt aus der Düsenmündung v(x) ist abhängig vom axialen Abstand zur Düsenaustrittsöffnung x. Wenn man sich radial nicht vom Mittelpunkt der Düsenaustrittsöffnung entfernt, dann kann die Strömungsgeschwindigkeit des Freistrahls in Abhängigkeit des axialen Düsenabstands näherungsweise mit der Formel (1) bestimmt werden.
$$v\left(x\right)=v_0\frac{d_0}{d\left(x\right)}$$

• Wobei v₀ der Austrittsgeschwindigkeit des Gasstrahls aus der Düse und d₀ dem Düsendurchmesser der durchströmten Düse entspricht. Bei der Verwendung von Lavaldüsen entspricht d₀ dem Lavaldurchmesser der Düse. Der Durchmesser des Freistrahls ist aufgrund der reibungsbehaften Strömung ebenfalls abhängig vom axialen Abstand zur Düsenaustrittsöffnung und wird als d(x) bezeichnet.
• Mit $$d\left(x\right)=\mathrm{0,34}x$$

  

  und mit $$\mathrm{0,34}=\text{tan}\left(\mathrm{\Theta }\right)$$

  
• Wobei Θ dem Öffnungswinkel des Freistrahls nach dem Austritt aus der Düse entspricht und 18° - 20° beträgt. Dies ist ein üblicher Wert, wie er in der Fachliteratur angegeben wird. Bei Strömungssimulationen von Gasfreistrahlen erhält man vergleichbare Öffnungswinkel. Deshalb wird bei der erfindungsgemäßen Berechnung ein mittlerer Öffnungswinkel Θ von 19° gewählt.
• Beim Betreiben von Strahlmühlen, insbesondere bei Fließbettgegenstrahlmühlen, ist es wichtig, diese möglichst effizient zu betreiben. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass der Düsenabstand x zwischen den Mahlgasdüsen und dem Brennpunkt aus den Mittelachsen der Mahlgasdüsen optimal eingestellt wird. Dazu kann der oben beschriebene Ansatz zur Beschreibung der Strahlgeschwindigkeit eines Freistrahls herangezogen werden. Dazu ist es erforderlich, dass der Abstand zwischen Düsenaustrittsöffnung und stromabwärts gelegenen Punkt gemäß Formel (4) definiert wird. Wobei der absolute Düsenabstand x zwischen der Mahlgasdüsenaustrittsöffnung und dem Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen das Produkt aus dem relativen Düsenabstand DA und dem Düsendurchmesser d₀ ist. Als Düsendurchmesser d₀ ist hierbei der kleinste Düsendurchmesser einer Lavaldüse normal zur Düsenachse zu verstehen. Dieser Düsendurchmesser d₀ wird auch als Lavaldurchmesser bezeichnet. $$x=DA{d}_0$$

  
• Formel (4) und Formel (2) in Formel (1) eingesetzt und nach dem relativen Düsenabstand DA umgeformt ergibt Formel (5). $$DA=\frac{v_0}{\mathrm{0,34}v\left(x\right)}$$

  
• Diese Formel gibt damit den relativen Düsenabstand DA von der Düsenmündung bzw. der Mahlgasdüsenaustrittsöffnung bis zum Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen in einer Fließbettgegenstrahlmühle an, wenn die beiden Geschwindigkeiten v₀ und v(x) auf geeignete Weise bestimmt werden.
• Die Düsenaustrittsgeschwindigkeit v₀ des Gasstrahls einer Lavaldüse lässt sich allgemein mit der Formel (6) bestimmen. $$v_0=\sqrt{\frac{2T{R}_{0}k}{\left(\kappa -1\right)}\left(1-{\left(\frac{p_1}{p_0}\right)}^{\frac{\kappa -1}{\kappa }}\right)}$$

  
• Dabei ist zu erkennen, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Gasstrahls sowohl von der Gastemperatur T₀ und vom Druck p₀ des Mahlgases vor der Düse abhängig ist. Ferner gehen in die Berechnung noch der Isentropenexponent κ und die spezifische Gaskonstante R des, durch die Düse strömenden, Gases ein.
  Dabei ist der Druck nach der Düsenaustrittsöffnung mit p₁ bezeichnet. Bei Strahlmühlen und insbesondere bei Fließbettgegenstrahlmühlen wird bei gut ausgelegten Düsen unter dem Druck p₁ der Innendruck im Mahlbehälter bzw. in der Strahlmühle verstanden.
• Die Formel (6) gilt in allgemeiner Form, unabhängig vom Umgebungsdruck nach der Düsenaustrittsöffnung.
• Herrscht in Strahlmühlen, speziell in Fließbettgegenstrahlmühlen ein Absolutdruck von 1 bar, dann vereinfacht sich die Formel (6) zur Formel (6b), da in diesem Fall für p₁ = 1 gesetzt werden kann. $$v_0=\sqrt{\frac{2T{R}_{0}k}{\left(\kappa -1\right)}\left(1-{\left(\frac{1}{p_0}\right)}^{\frac{\kappa -1}{\kappa }}\right)}$$

  
• Näherungsweise kann diese vereinfachte Beziehung nach Formel (6b) jedoch auch für die technisch üblichen Absolutdrücke in Fließbettstrahlmühlen von 0,8 - 1,2 bar verwendet werden.
• In Formel (6) und (6b) sind alle Drücke als Absolutdruck und die Temperatur als Absoluttemperatur einzusetzen.
• Um die Formel (5) letztlich für die Auslegung des optimalen relativen Düsenabstands DA einer Strahlmühle bzw. Fleißbettgegenstrahlmühle verwenden zu können, muss die letzte noch unbestimmte Größe der Formel bestimmt werden. Dazu wurden experimentelle Versuchsdaten aus Mahlversuchen mit einer Fließbettgegenstrahlmühle ausgewertet. Dabei zeigte sich, dass die rechnerische optimale Strahlgeschwindigkeit im Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen der Fließbettgegenstrahlmühle eine Druckabhängigkeit aufweist (siehe Tabelle 1). Bei experimentellen Mahlversuchen mit einer Mahlgastemperatur von 20 °C auf einer Fließbettgegenstrahlmühle AFG 400 stellten sich die folgenden Strahlgeschwindigkeiten v(x) im Brennpunkt als optimal heraus. Tabelle 1: Experimentell ermittelte optimale Strahlgeschwindigkeiten im Brennpunkt einer Fließbettgegenstrahlmühle in Abhängigkeit des Mahlgasdrucks bei Verwendung von Lavaldüsen

  	Optimale Strahlgeschwindigkeit im Brennpunkt von Strahlmühlen in Abhängigkeit des Mahlgasdrucks
  p 1 [bar(abs)]	7	8	9	10	11	13
  v(x) [m/s]	73,6	71,1	68,6	66,0	63,7	60,4

• Diese experimentell ermittelten Daten für die optimale Strahlgeschwindigkeit im Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen einer Fließbettgegenstrahlmühle bei Verwendung von Lavaldüsen lassen sich durch einen Potenzansatz mit der Formel (7) annähern. $$v\left(x\right)=140p_0{}^{-\mathrm{0,33}}$$

  
• Setzt man nun die Formeln (6) und Formel (7) in die Formel (5) ein, formt die Gleichung um und fasst die Konstanten zusammen, dann erhält man folgende Beziehung für den optimalen relativen Düsenabstand einer Fließbettgegenstrahlmühle beim Betrieb mit Luft und bei Verwendung von LavalDüsen. $$DA=\mathrm{0,94}\sqrt{T_0}\frac{\sqrt{p_0{}^{\mathrm{0,286}}-1}}{p_0{}^{-\mathrm{0,187}}}$$

  
• Entsprechend der Formel (8) ist zu erkennen, dass der optimale relative Düsenabstand sowohl temperatur- als auch druckabhängig ist. Dabei entspricht T₀ der Mahlgastemperatur vor den Düsen und muss als absolute Temperatur in [K] eingesetzt werden und p₀ entspricht dem Absolutdruck des Mahlgases vor den Düsen und muss in [bar] eingesetzt werden. Sollte die Strahlmühle mit von Luft abweichenden Mahlgasen betrieben werden, dann müssen in die Formel (6) die entsprechenden Konstanten des verwendeten Mahlgases eingesetzt werden.
• Durch eine Vereinfachung des druckabhängigen Terms in Formel (8), durch eine Annäherung des Terms mit Hilfe einer Potenzfunktion (siehe Formel (9)): $$ƒ\left(p_0\right)=\mathrm{0,37}{p}_0{}^{\mathrm{0,62}}$$

  

  erhält man eine vereinfachte Formel zur Bestimmung des optimalen relativen Düsenabstands in einer Fließbettgegenstrahlmühle. Die vereinfachte Berechnungsformel zur Bestimmung des optimalen relativen Düsenabstands ist in Formel (10) dargestellt. $$DA=\mathrm{0,35}\sqrt{T_0}{p}_0{}^{\mathrm{0,62}}$$

  
• Als Ergebnis erhält man somit eine sehr einfache Formel, die zur Bestimmung des optimalen relativen Düsenabstands in Strahlmühlen, die insbesondere in Fließbettgegenstrahlmühlen, verwendet werden kann. Die Formel (10) gilt, wenn bei der Strahlmühle Lavaldüsen eingesetzt werden und Luft als Mahlgas verwendet wird. Der optimale relative Düsenabstand ist entsprechend der Formel (10) abhängig von der Mahlgastemperatur und vom Mahlgasdruck vor den Mahlgasdüsen. Das Ergebnis der Berechnungen des optimalen relativen Düsenabstands ist in den Diangrammen der 2 und 3 wiedergegeben Wobei der mit der Formel (10) berechnete optimale relative Düsenabstand dem Abstand von der Mahldüsenaustrittsöffnung und dem Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen in einer Strahlmühle bzw. Fleißbettgegenstrahlmühle entspricht, wenn er gemäß Formel (4) mit dem Lavaldurchmesser der verwendeten Düsen multipliziert wird.
• Für den allgemeinen Fall unabhängig vom Gas, welches durch die Düsen strömt, gilt für die Lavaldüsen die folgende Formel (11) $$DA=\frac{\sqrt{2R\kappa }}{140\sqrt{\kappa }\text{tan}\left(\mathrm{\Theta }\right)}\sqrt{T_0}\frac{\sqrt{\left(1-{\left(\frac{p_1}{p_0}\right)}^{\frac{\kappa -1}{\kappa }}\right)}}{p_0{}^{-\mathrm{0,33}}}$$

  
• Die bisherigen Betrachtungen gelten für Lavaldüsen, nachfolgend werden weitere Düsenformen, speziell Mehrfachdüsen berücksichtigt.
  Zusätzlich wird ein optimaler relativer Düsenabstand DA für mehrere dicht nebeneinander angeordnete Lavaldüsen, den Mehrfachdüsen, sogenannte MegaJet ®-Düsen, formuliert, wie sie aus dem Patent DE 42 43 438 A1 bekannt sind.
• Die Mehrfachdüsen mit dicht nebeneinander angeordneten Lavaldüsen werden bei der Berechnung des optimalen relativen Düsenabstands wie eine einzelne Lavaldüse mit einer äquivalenten Düsenquerschnittsfläche behandelt, da sich die einzelnen Gasstrahlen aus den dicht aneinander angeordneten Lavaldüsen nach dem Austritt aus der Düsenmündung zu einem Gasstrahl vereinen.
• Der äquivalente Düsendurchmesser einer Mehrfachdüse, hier MegaJet®-Düse, wird dabei folgendermaßen bestimmt. Zuerst berechnet man aus den einzelnen nebeneinander angeordneten Lavaldüsen, aus denen sich die Mehrfachdüsen zusammensetzen, die Summe der Düsenquerschnittsfläche und berechnet daraus dann den Durchmesser aus der berechneten Kreisfläche. $$d_0=\sqrt{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{d}_i^2}}$$

  
• Wobei die Durchmesser d_i der einzelnen Lavaldüsen der Mehrfachdüsen unterschiedlich groß sein können. Der Index i läuft von 1 bis n und gibt die Anzahl der einzelnen Düsen der Mehrfachdüse wieder.
• Diese Mehrfachdüsen bestehen aus mindestens zwei, bevorzugt jedoch vier, oder auch mehr nahe beieinanderliegenden Lavaldüsen, sodass das Mahlgut in den Raum zwischen den einzelnen Düsen eingezogen wird und dadurch besser in den Bereich der Kernströmung eindringen kann. Die Achsen der einzelnen nahe beieinanderliegenden Lavaldüsen liegen bevorzugt auf einer gemeinsamen Kreisbahn.
• Da bei einer derartigen Düsenkonfiguration ein stärkerer Impulsaustausch zwischen den Gasstrahlen und dem Mahlgut sowie dem umgebenden Gas stattfindet, sind die optimalen Düsenabstände im Vergleich mit einer einzelnen düsenquerschnittsflächenäquivalenten Lavaldüse kleiner.
• Werden in Strahlmühlen, insbesondere in Fließbettgegenstrahlmühlen Mehrfachdüsen, sogenannte MegaJet ®-Düsen, eingesetzt, dann muss der optimale relative Düsenabstand mit anderen Formeln bestimmt werden, wobei die Vorgehensweise zur Berechnung analog den oben genannten Formeln (1-10) ist. In experimentellen Versuchen stellte sich heraus, dass bei der Verwendung von Mehrfachdüsen eine andere rechnerische Strahlgeschwindigkeit im Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen einer Fließbettgegenstrahlmühle optimal ist (siehe Tabelle 2) Tabelle 2: Experimentell ermittelte optimale Strahlgeschwindigkeit im Brennpunkt einer Fließbettgegenstrahlmühle in Abhängigkeit des Mahlgasdrucks bei Verwendung von MegaJet®-Düsen

  	Optimale Strahlgeschwindigkeit im Brennpunkt von Strahlmühlen in Abhängigkeit des Mahlgasdrucks
  p i [bar(abs)]	7	8	9	10	11	13
  v(x) [m/s]	92,0	89,2	86,3	83,2	80,4	75,2

• Diese experimentell ermittelten Daten für die optimale Strahlgeschwindigkeit im Brennpunkt der Mittelachsen der Mahlgasdüsen einer Fließbettgegenstrahlmühle bei Verwendung von Mehrfachdüsen lassen sich durch einen Potenzansatz mit der Formel (13) annähern: $$v\left(x\right)=176p_0{}^{-\mathrm{0,33}}$$

  
• Setzt man nun die Formeln (6b) und Formel (13) in die Formel (5) ein, formt die Gleichung um und fasst die Konstanten zusammen, dann erhält man folgende Beziehung für den optimalen relativen Düsenabstand in einer Fließbettgegenstrahlmühle bei Verwendung von Mehrfachdüsen und dem Einsatz von Luft als Mahlgas. $$DA=\mathrm{0,75}\sqrt{T_0}\frac{\sqrt{p_0{}^{\mathrm{0,286}}-1}}{p_0{}^{-\mathrm{0,187}}}$$

  
• Entsprechend der Formel (14) lässt sich erkennen, dass der optimale relative Düsenabstand sowohl temperatur- als auch druckabhängig ist. Dabei entspricht T₀ der Mahlgastemperatur vor den Düsen und muss als absolute Temperatur in [K] eingesetzt werden und p₀ entspricht dem Absolutdruck des Mahlgases vor den Düsen und muss in [bar] eingesetzt werden
• Unter Verwendung der Formel (9) zur Vereinfachung des Druckterms in Formel (14) ergibt sich die Formel (15) zur Bestimmung des optimalen relativen Düsenabstands bei Strahlmühlen, insbesondere bei Fließbettgegenstrahlmühlen, bei der Verwendung von luftdurchströmten Mehrfachdüsen. $$DA=\mathrm{0,27}\sqrt{T_0}{p}_0{}^{\mathrm{0,62}}$$

  
• Der optimale relative Düsenabstand bei Fließbettgegenstrahlmühlen bei der Verwendung von Mehrfachdüsen ist damit ebenfalls von der Mahlgastemperatur T₀ vor den Düsen und vom Absolutdruck p₀ des Mahlgases vor den Düsen abhängig. Der Mahlgasdruck ist in die Formel (15) in [bar] und die Mahlgastemperatur in [K] einzusetzen. In der 4 und 5 ist der optimale relative Düsenabstand von Mehrfachdüsen in Abhängigkeit der Mahlgastemperatur und des Mahlgasdrucks dargestellt.
• Die allgemeine Berechnungsvorschrift für den optimalen relativen Düsenabstand bei Mehrfachdüsen ist nachfolgend in Formel (16) dargestellt. $$DA=\frac{\sqrt{2R\kappa }}{176\sqrt{\kappa }\text{tan}\left(\mathrm{\Theta }\right)}\sqrt{T_0}\frac{\sqrt{\left(1-{\left(\frac{p_1}{p_0}\right)}^{\frac{\kappa -1}{\kappa }}\right)}}{p_0{}^{-\mathrm{0,33}}}$$

  
• Der optimale absolute Düsenabstand für Strahlmühlen, insbesondere für Fließbettgegenstrahlmühlen, lässt sich schließlich mit der Formel (4) bestimmen, wenn der optimale relative Düsenabstand je nach Düsenart mit den Formeln (10) oder (15) bestimmt wird.
• Die Erfindung berücksichtigt erstmals sowohl den Einfluss der Mahlgasart, der Mahlgastemperatur sowie den Mahlgasdruck vor den Mahlgasdüsen bei der Auslegung des optimalen relativen Düsenabstands bei Strahlmühlen und insbesondere bei Fließbettgegenstrahlmühlen. Dadurch werden gegenüber dem Stand der Technik bei höheren Mahlgastemperaturen größere relative Düsenabstände eingestellt und dies führt zu höheren Durchsätzen und zu feineren Produkten. Die Optimierung der Düsenabstände zeigt sich in einem höheren Feingutdurchsatz, ohne dass dafür mehr Energie zur Mahlung zur Verfügung steht. Die Mahlung wird somit energieeffizienter. Dadurch wird der Betrieb der Fließbettgegenstrahlmühle für den Anlagenbetreiber ökonomischer.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der -beispielhaft- ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
• Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben:
• Die Figuren zeigen:
  • 6: Querschnittsansicht einer Fließbettgegenstrahlmühle
  • 7: Ausschnitt aus der Fließbettgegenstrahlmühle im Bereich einer Mahlgasdüsen.
• Die 6 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch eine Fließbettgegenstrahlmühle (1). Die Fließbettgegenstrahlmühle (1) weist ein vertikalachsiges Gehäuse (2) auf. Im unteren Bereich des Gehäuses (2) ist die Mahlzone angeordnet und darüber in einem definierten Abstand die Klassierzone mit einem Windsichter mit Sichtrad (3). Das Gehäuse (2) ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Über den Umfang des Gehäuses (2) in Höhe der Mahlzone sind Mahlgasdüsen (4) angeordnet durch die das Mahlgas in die Mahlzone geführt wird. Die Mahlgasdüsen (4) sind gleichmäßig um den Umfang des Gehäuses (2) verteilt angeordnet, sodass sich die Mahlgasstrahlen bzw. deren Mittelachsen näherungsweise in einem Punkt, dem Brennpunkt (8), treffen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind 4 Mahlgasdüsen (4) gleichmäßig über den Umfang des Behälters (2) angeordnet, deren Mittelachsen der Mahlgasdüsen sich in einem Brennpunkt treffen. Das zu mahlende Produkt wird von oben über die Mahlgutaufgabe (5) in die Mahlzone der Mühle (1) aufgegeben, in dem sich ein Fließbett ausbildet. Dort erfolgt die Zerkleinerung.
• Der oberhalb der Mahlzone in einem Abstand zu dieser angeordnete Windsichter weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Fliehkraft-Sichtrad (3) mit horizontaler Achse auf. Auch eine vertikale Anordnung ist möglich. Hier wird das Feingut vom Grobgut getrennt. Das Feingut wird als Produkt über den Feingutaustritt (6) aus der Mühle (1) abgezogen und das Grobgut gelangt zur weiteren Zerkleinerung zurück in die Mahlzone.
• Die 7 zeigt einen Ausschnitt aus der Fließbettgegenstrahlmühle (1) aus 6 mit je zwei gegenüberliegenden Mahlgasdüsen (4). Die Mahlgasdüsen (4) werden mit Mahlgas definierter Temperatur und Druck beaufschlagt. Die Mahlstrahlen, hier mit (7) angedeutet treffen sich im Brennpunkt (8) der Mittelachsen der Mahlgasdüsen. Die Mahlgasdüsen (4) weisen einen Düsendurchmesser d₀ auf. Der absolute Düsenabstand x zwischen Mahlgasdüsenaustrittsöffnung und Brennpunkt (8) der Mittelachsen der Mahlgasdüsen ist mit x gekennzeichnet.
• Die Mahlgasdüsen (4) werden nun auf den nach der Beziehung aus Formel (10) oder (15) unter Verwendung der Formel (4) berechneten Düsenabstand x eingestellt. Hierbei wird die Temperatur und der Druck des Mahlgases vor der Düse sowie die Düsenart berücksichtigt. So wird der Durchsatz optimiert und die Fließbettgegenstrahlmühle kann ökonomisch betrieben werden.
• Bezugszeichenliste

(1)

Fließbettgegenstrahlmühle

(2)

Mahlbehälter

(3)

Fliehkraft-Sichtrad

(4)

Mahlgasdüsen

(5)

Mahlgutaufgabe

(6)

Feingutaustritt

(7)

Gasstrahlen

(8)

Brennpunkt

v(x)

Geschwindigkeit des Gasstrahls nach dem Austritt aus der Düsenmündung

vo

Austrittsgeschwindigkeit des Gasstrahls aus der Düse

x

Abstand zwischen Düsenaustrittsöffnung und Brennpunkt der Mittelachsen der konzentrisch angeordneten Düsen

do

Düsendurchmesser (kleinster Düsendurchmesser einer Düse senkrecht zur Düsenachse

di

Düsendurchmesser der einzelnen Düsen einer Mehrfachdüse

d(x)

Durchmesser des Freistrahls nach Austritt des Gasstrahls aus der Düsenaustrittsöffnung in Abhängigkeit des axialen Abstands zur Düsenaustrittsöffnung

Θ

Öffnungswinkel des Freistrahls

DA

relativer Düsenabstand

To

Gastemperatur des Mahlgases vor der Düse

po

Druck des Mahlgases vor der Düse

p1

Umgebungsdruck nach der Düsenaustrittsöffnung

κ

Isentropenexponent des, durch die Düse strömenden Gases

R

spezifische Gas-Konstante des, durch die Düse strömenden Gases

• 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
• DE 69124581 T2 [0005]
• EP 2004329 B1 [0006]
• DE 4243438 C2 [0010]
• DE 4243438 A1 [0032]

Claims (11)

1. Verfahren zur Ermittlung des Düsenabstandes von Mahlgasdüsen in Strahlmühlen, bevorzugt Fließbettgegenstrahlmühlen (1), wobei die Fließbettgegenstrahlmühle (1) um den Umfang des Gehäuses gleichmäßig beabstandete Mahlgasdüsen (4) aufweist, deren Mittelachsen sich in einem gemeinsamen Brennpunkt (8) treffen, wobei der radiale Abstand der Mahlgasdüsenaustrittsöffnung vom Brennpunkt (8) einstellbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenabstand in Abhängigkeit vom Mahlgasdruck und von der Mahlgastemperatur vor den Mahlgasdüsen (4) sowie in Abhängigkeit der Mahlgasart ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 bevorzugt 3 ober 4 Mahlgasdüsen (4) verwendet werden
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlgasdüsen (5) in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Fließbettgegenstrahlmühle (1) angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mahlgasdüsen (4) am tiefsten Punkt des Mahlgehäuses (2) der Fließbettgegenstahlmühle (1) angeordnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Mahlgas Luft, Inertgas oder Dampf eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Mahlgasdüsen (4) Einfachdüsen in Form von Lavaldüsen und/oder Mehrfachdüsen in Form von Lavaldüsen mit mehreren Öffnungen, bevorzugt 4 Öffnungen zum Einsatz kommen.
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass für den Düsenabstand x für Lavaldüsen mit einer Düsenöffnung gilt: $$x=DA{d}_0$$

   

   mit $$DA=\frac{\sqrt{2R\kappa }}{140\sqrt{\kappa }\text{tan}\left(\mathrm{\Theta }\right)}\sqrt{T_0}\frac{\sqrt{\left(1-{\left(\frac{p_1}{p_0}\right)}^{\frac{\kappa -1}{\kappa }}\right)}}{p_0{}^{-\mathrm{0,33}}}$$

   
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass für den relativen Düsenabstand DA für Lavaldüsen vereinfacht gilt: $$DA=\mathrm{0,35}\sqrt{T_0}{p}_0{}^{\mathrm{0,62}}$$

   
9. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass für den Düsenabstand x bei Mehrfachdüsen gilt: $$x=DA{d}_0$$

   

   mit $$DA=\frac{\sqrt{2R\kappa }}{176\sqrt{\kappa }\text{tan}\left(\mathrm{\Theta }\right)}\sqrt{T_0}\frac{\sqrt{\left(1-{\left(\frac{p_1}{p_0}\right)}^{\frac{\kappa -1}{\kappa }}\right)}}{p_0{}^{-\mathrm{0,33}}}$$

   
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass für den Düsenabstand DA bei Mehrfachdüsen vereinfacht gilt: $$DA=\mathrm{0,27}\sqrt{T_0}{p}_0{}^{\mathrm{0,62}}$$

    
11. Verfahren zur Mahlung von Mahlgut in einer Strahlmühle, bevorzugt eine Fließbettgegenstrahlmühle (1) dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des relativen Düsenabstandes nach den Ansprüchen 1, 7, 8 und 9 und 10 erfolgt und die Mahlung des Mahlguts in einer Strahlmühle nach den Ansprüchen 1 bis 6 erfolgt.

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