DE2164856A1 - Verfahren und vorrichtung zum zerkleinern grober feststoffteilchen mit hilfe von stroemungsenergie - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Zerkleinern grober Feststoffteilchen mit Hilfe von Strömungsenergie Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerkleinern von Feststoffteilchen irjit Nilfe von Strömungsenergie unter Verwendullg einer verbesserten Düse.
• Nach den bisher vorgeschlagenen Verfahren zum Zerkleinern fester Teilchen aus z.B. ohle, Talkum, Baryt, Aluminium, Magnesium, Ton und Austernschalen wurden solche Teilchen in Gas dispergiert und die erhaltene Dispersiotl mit hoher Geschwindigkeit durch einander entgegengerichtete Düsen geleitet.
• Nach dem U.S.-Patent 2 846 150, (Erfinder L.T. Work) werden Feststoffteilchen in einem Gasstrom dispergiert und in vielen sich schneidenden Strömen ausgestoßen, wobei die Teilchen durch den Aufprall der Ströme aufeinander zerkleinert werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Zerkleinern grober Feststoffteilchen mit Hilfe on Strömungsenergie zu Verbessern.
• In Lönung der gestellten Auf gabe wurde ein Verfahren der vorgenannten Gattung geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein aus groben, in Dampf suspendierter Teilchen bestehender Dispersionsstrom unter Druck gefördert wird, daß die Querschnittfläche des Stromes verhältnismäßig schnell reduzier-t und dadurch die Geschwindigkeit des Stromes fast auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt und der Druck des Stromes herabgesetzt wird, daß die Querschnittfläche des S-tromes relativ allmählich vergrößert wird und dadurch der Druck des Stromes weiter herabgesetzt und seine Geschwindigkeit auf Überschallgeschwindigkeit erhebt wird, daß die Geschwindigkeit des Stromes schnell auf Unterschaligeschwindigkeit gebremst und dadurch am unteren Ende des Stromes eine stehende Stoßwelle erzeugt wird und daß der Strom aus groben Teilchen durch diese stehende: Stoßwelle geleitet wird, wodurch die groben Teilchen stark abgebremst und einer extrem hohen Scherkrafteiiiwirkung unte.rworfen werden, wobei sie in eine Vielzahl kleinerer Teilchen zerkleinert werden.
• Gemäß einer besonderen Ausfübrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein fließfähiges Gemisch oder eine Aufschlämmung relativ grober Teilchen eines brechbaren festen Stoffes in einer verdampfbaren Flüssigkeit hergestellt; dieses Gemisch wird durch eine rohrförmige Heizzene geleitet, die genügend Wärme erzeugt, um die Flüssigkeit im wesentlichen vollständig einzudampfen und einen Strom von in Dampf suspendierten Fests-toffteilchen zu bilden; dieser Strom aus groben, in Dampf suspendierten Teilchen wird in einer sich erweitern@en Düse ausgedehnt, in der seine Gesehwindigkeit auf Überschall erhöht und schnell wieder auf Unterschallgeschwindigkeit reduziert wird, wodurch nahe am Austrittsende der Düse eine stehende Stoßwelle erzeugt wird. Die Feststoffteilchen des Stromes passieren diese Stoßwelle und werden dort hohen Scherkräften ausgesetzt 5 durch die die Teilchen zerkleinert werden. Wie im nachfolgenden noch näher erläutert, wird eine dop'peltrichterförmige Düse bevorzugt.
• Unter den im Text verwendeten Begriffen "Pulverisieren" und "Zerkleinern" ist eie Herabsetzung der Größe der Feststoffteilchen nach dem hier beschriebenen Verfahren zu verstehen.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Vorrichtung geschaffen, die gekennzeichnet ist durch einen Dispersionsstrom, der relativ grobe Teilchen eines brechbaren Festst@ffes aufweist, die in einem elastischen Strömungsmedium dispergiert sind, durch eine mit diesem Dispersionsstrom in Wirkverbindung stehende Trichterdüse, deren Austrittsöffnung erweitert ausgebildet ist1 um den Dispersionsstrom auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen und durch eine Expandierung des Dispersionsstromes zur Erzeugung einer stehenden Stoßwelle, die auf die zu zerkleinernden Teilchen einwirkt.
• Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind aus den beigefügten Zeichnungen, in denen sowohl eine bevorzugte wie auch eine Alternativausführungsform der Erfindung dargestellt sind, zu entnehmen. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisiertes Diagramm eines Aggregats mit der erfindungsgemäße Vorrichtung Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung Fig. 3 eine Draufsicht, teilweise im Querschnitt, eines Teiles des Aggregats, mit einer Alternativausftrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 4 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung.
• Wie Fig. 1 zeigt, werden die zu zerkleinernden Feststoffteilchen mit einer verdampfbaren Flüssigkeit in einem Aufschlämmungsb@hälter 10, der mit einem Rührer, z.B.
• einem motorbetriebenen Rührscheit versehen sein kann, unter Bildung eines fließfähigen G-emisches, innig vermischt. Der Anteil .ln Feststoffen in diesem fließfähigen Gemisch oder der Aufschlämmung kann, je nach den Eigenschaften des verwendeten Festatoffes und der Flüssigkeit, bis zu 70 Gew.-% betragen.
• Die Aufschlämmung wird vom Aufschlämmungsbehälter 10 über eine Pumpe 12 mit einem Druck von über etwa 14,1 atü durch eine lieltung 14 in einer Heizvorrichtung 16, wie z.B. einem mit 61 oder Gas beheizten Ofen, geleitet.
• Die Heizvorrichtung 16 versorgt das fließfähige Gemisch in Leitung 14 mit Wärme.
• Die Leitung 14 kann in der Heizvorrichtung 16 zur Platzeinsparung ganz beliebig angeordnet werden, wobei sicherzustellen ist, daß das Material in Leitung 14 so weit erwärmt wird, daß die Flüssigkeit in der Aufschlämmung zur Bildung eines fließfähigen Gemisches verdampft. Durchmesser und Länge der Leitung sollen so-bemessen sein, daß die Wärmeübertragungsfläche ausreicht, um die Flüssigkeit in der Aufschlämmung einzudampfen. Im allgemeinen ist etwa 0,09 m2 Oberfläche pro 4,54 kg Aufschlämmung, die pro Stunde die Leitung durchlaufen, erforderlich. Beispielsweise kann die rohrförmige Heizzone aus einem ca.
• 300,0 bis ca. 450,0 m langen Eisenrohr in Form eines Heizrohrbündels mit einem Rohrdurchmesser von 1,77 bis 5,08 cm bestehen, douh sind auch andere Anordnungen möglich, so z.B. gerade, durch Doppelkniestücke miteinander verbundene R ohrstücke.
• Der Einfachheit halber ist die Heizvorrichtung 16 nur in einer Ausführungsform dargestellt. Man könnte jedoch zur wirksameren Beheizung eine Vielzahl in Kaskade angeordneter TIeizvorriclitungen in das Aggregat einbauen, wobei die aufeinanderfolgenden Heizvorrichtungen jeweils eine höhere Temperatur als die vorhergehende aufweisen.
• Als Aufschlämmungsflüssigkeit lassen sich viele verdampfbare Flüssigkeiten verwenden, z.B. Wasser, Kerosin, Mineralöl oder verflüssigte Gase wie Propan, Butan und Luft. Die Wahl der Aufschlämmungsflüssigkeit hängt hauptsächlich von der Art des zu zerkleinernden Materials ab.
• Bei verhältnismäßig stabilen Stoffen wie Kohle, Koks, Talkum, Baryt und Austernschalen kann man Wasser verwenden, Dampf bei Metallen, die eventuell mit / reagieren, empfiehlt sich Kerosin oder Öl.
• In der Heizvorrichtung 16 wird die Aufschlämmung in Leitung 14 auf eine Temperatlir oberhalb der Verdampfungstemperatur der Aufschlämmungsflüssigkeit erhitzt, so daß in der Leitung schon nach kurzem Strömungsweg eine aus den Feststoffteilchen und Dampfgas gebildete fließende Dispersion entsteht. Der im Text verwendete Begriff "Dampf" schließt den Einsatz überhitzter Gase als Träger der fließenden Dispersion nicht aus. Diese Dispersion strömt durch den Rest der Leitung 14 mit ziemlicb hoher Geschwindigkeit, beispielsweise mit ca. 3,0 bis ca.
• 31,0 m pro Sekunde, was ausreicht, um die Teilchen mit einem Minimum an Abriebwirkung zu befördern. Eine gewisse V@rzerkleinerung der Teilchen kann auftreten, wenn die Teilchen, während sie durch die Heizröhren fließen, aufeinanderprallen.
• Die Dispersion in Leitung 14 kann in zwei Ströme geteilt werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Ströme fließen dann jeweils durch Leitung 18 und 20 zu den entsprechenden Austrittsdüsen 22 und 24, die an gegenüberliegenden Seiten eines Reaktionsraumes 26 mit relativ großem Durchmesser in diesen hineinragen und die Ströme dort in den Reaktionsraum eintreten las sen.
• Die Düsen 22 und 24 haben einen Durchlaß 28 bzw. 30 mit kreisförmigem Querschnitt; die Durchlässe sind axial zueinander angeordnet, und ihre Auslaßenden liegen sich, wie aus der Fig. 3 ersichtlich, diametral in einem Winkel von 180° gegenüber.
• Nach dem Verfahren der Erfindung ist jedoch nur eine einzige Austrittsdüse 22 erforderlich, die unmittelbar an Leitung 14 angeschlossen ist, so daß die Dispersion durch die Austrittsdüse 22 in das Innere des Reaktionsraumes 26 gelangt. Da sich das Verfahren der Erfindung mit einer einzigen Düse durchführen läßt, wird es der Einfachheit halber nur unter Bezugnahme auf Düse 22 und DUsendurchlaß 28 beschrieben, während die Ausführungsform nach Fig.3 nicht spezifisierter besch-rieben wird. Wenn nur eine einzige Austrittsdüse 22 vorhanden ist, muß der Reaktionsraum 26 so groß sein, daß die die Düse 22 verlassenden Teilchen ihre kinetische Energie abgeben können, ohne dabei irgendwelche Teile des Reaktionsraumes 26, die sich im Strömungsfeld der Teilchen befinden, auzufressen.
• Der Durchlaß 28 der Düse bildet zumindest teilweise eine trichterförmige Auslaßöffnung, die sich nach außen erweitert.Die Düse kann trichterförmig sein wie in Fig.2 oder doppeltrichterförmig wie in Fig. 4. Wichtig ist dabei, daß die Düse so kqnstruiert .int, daß das durchströmende Medium auf Überschallgeschwindigkeit gebracht und in der Düse eine stehende Stoßwelle erzeugt wird. Es ist ausreichend, wenn der eingeschlossene Winkel etwa 450 beträgt, er kann aber auch größer oder kleiner sein und zwischen 15 und 90° betragen. Vorzugsweise beträgt der eingeschlossene Winkel des sich erweiternden Abschnittes zwischen 15 und 600.
• Das Volumen des Reakl-ionsraumes 26 ist groß genug, -um die Geschwindigkeit der Feststoffteilchen so zu reduzieren, daß unerwünschte Erosion beim Verlassen der Düse ver hindert und die Diise wie beschrieben eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann der Reaktionsraum 26 in einem Röhren-T-Stück, dessen Abzweigungen einen Innendurchmesser von ca. 1,57 bis 4,72 cm aufweisen, angeordnet sein. Das Verhältnis der Drücke, die vor bzw. an Ende der Düse herr schen und das für die Erzeugung der Überschallgeschwindigkeit in der Düse erforderlich ist, beträgt min.destens 4,0.
• Bei Erhöhung des Bruckverhältnisses erhöht sich auch das Ausmaß der Zerkleinerang der Feststoffteilchen.
• Aus dem Reaktionsraum 26 gelangt die Dampf-Dispersion der Teilchen, die nun geringe Geschwindigkeit hat, durch eine Leitung 32 in den Zyklonabscheider 34, aus dem die Feststoffe durch einen Produktauslaß 36 am Boden und der Dampf durch eine ventilgesteuerte Leitung 38 am Kopf des Zyklonabscheiders 34 austreten. Das Ventil 40 reguliert den Rückdruck auf das Aggregat. Als Abscheider, insbesondere Zyklonabscheider, kann einer in herkömmlicher Bauart verwendet werden. Es versteht sich, daß man zur noch wirksameren Trennung des Pulvers vom Gas zusätzli@ch zum Abscheider 34 noch in Kaskade angeordnete Abscheider sowie zur endgültigen Trennung einen Gaswascher einsetzen kann.
• Die genauen Vorgänge, die zu den besseren Ergebnissen führen, sind nicht klar bestimmbar, aber die nachfolgende Erläuterung mag als mögliche Erklärung dieser Vorgänge dienen. Eine stehende Stoßwelle wird in der Düse 22 nahe dem Mündungsbereich des sich erweiternden Abschnittes erzeugt, und sie ist großenteils fiir. die Zerkleinerung der relativ groben Feststoffteilchen verantwortli-ch. Beim Durchströmen dieser Stoßwelle werden die Feststoffteilchen extremen Scherspannungen ausgesetzt und dadurch zerkleinert.
• In der Stoßwelle findet bei Abnehmen der Geschwindigkeit bis auf Unterschallgeschwindigkeit eine starke adiabatische Kompression und Umwandlung der kinetischen Ene@gie in Druck statt.
• Das folgende Beispiel zeigt in einem Vergleich, zu welchen Ergebnissen die Zerkleinerung einer gleichartigen Dispersion einmal nach einem bekannten Verfahren unter Verwendung zweier gegenüberliegender, gerader Düsen und zum anderen nach dem Verfahren der Erfindung unter Verwendung sich erweiternder Düsen führt.
• Beispiel Eine Aufschlämmung, die 40 Gew.-% Talkum, wovon 0,03% ein Tyler-Sieb mit einer Maschenweite von 325 mesh(44 mi@ron) nicht passieren, in destilliertem Wasser enthält, wird mit einem Druck von 112,5 atü und einer Durchsatzmenge Voll 817 kg pro Stunde durch ein beheiztes Eisenrohr mit einer Lange von 228,6 m und einem Durchmesser von 1,77 cm geschickt. Die Aufschlämmung wird auf eine Maximaltemperatur von 41000 erhitzt, so daß mn Ausgang des Heizrohres der Austrittsdruck 79,44 atü beträgt. Die erhaltene Dispersion wird sodann durch einander gegentiberliegende, trichterförmige Düsen mit einem Einlaß-Innendurchmesser von 0,397 cm und einem Einlaß-Außendurchmesser von 1,191 cm geleitet.
• Die Auslaßöffnung der Düsen hat einen Mündungsdurchmesser von 1,12 cm und einen eingeschlossenen Winkel von 450 Jede Düse hat eine Gesamtaxiallänge von 4,13 cm, während die Axiallänge des Trichterstückes 0,954 cm beträgt. Die Dispersion strömt sodann in den Reaktionsraum 26 aus; der Reaktion@raum hat einen Auslaß, der über ein 12,70 cm langes IPS-Rohr mit einem Paar in Kaskade angeordneter Zyklonabscheider verbunden ist.
• Eine gleichartig@ Dispersion floß im Vergleichsversuch durch das gleiche Aggregat, in dem nur die trichterförmig sich @rweiternden Düsen durch gerade Düsen mit einem Innendurchmesser von 0,397 cm und einer Axiallänge von 3,49 cm ersetzt wurden.
• Die folgende Tabelle vergleicht die Ergebnisse der Teilchengröße eines Talkumproduktes aus einer geraden sowie aus einer trichterförmigen Düse und des Talkum-Einsatzes, die mit hilfe p.incr Klett-Turbidimetric-Analyse (einem bekannten Meßverfahren), erhalten wurden: Tabelle I Prozent.Anteil d. Einsatz- Produkt aus Produkt Teilchen in der Material der trichter- aus der Charge, die kleiner förmigen Düse geraden als die genannte (µ) ( µ ) Düse Größe sind ( µ ) 90 30.0 2.2 10.0 80 25.0 1.5 7.5 70 20, 1.1 4.5 60 15.0 0.8 3.0 50 10.0 0.6 1.9 40 6.6 0.4 1.3 30 4.0 0.S 0.8 20 2.0 0.2 05 Ein Vergleich der Zahlen in Tabelle I zeigt, daß das mit Hilfe der trichterförmigen Düse erhaltene Produkt durchweg feiner als das mit der geraden Düse erhaltene Produkt ist. So sind z.B. 90% des mit der trichterförmigen Düse erhaltenen Produkts kleiner als 2,2µ , während nur 60% des mit der geraden Düse erhaltenen Produkts kleiner als 3 µ sind. Im unteren Teil der Tabelle zeigen die Zablen, daß 20% des Produkts aus der geraden Düse kleiner als 0,5 µ sind, während 40% des Produkts aus der trichterförmigen Düse kleiner als 0,4 µ sind.
• Tabelle II zeigt quantitative Werte, aus denen die Feinheit des Produkts aus der trichterförmigen Düse im Vergleich zu der des Produkts aus der geraden Düse abzulesen ist.
• Tabelle II Testwerte Einsatz- Produkt aus Produkt aus material trichterförm. gerader Düse Düse Hegeman (top s ) 5 7 1/2 5 1/2 Schüttgewicht, lb/ft@ (g/ml) 17,9 2,3 3,1 (0,2867) (0,042) (0,0496) Bezogene Oberfläche,* m2/g 7,5 58 40 Schüttgewicht, gerüttelt (cc/40g) 58 556 400 Spez. Oberfläche, m2/g 8,5 70 44 Schüttgewichts-Test , ml/g 1,2 18,0 18,0 Bezogene Oberfläche*, @@ @@ @@ m2/g 8,5 90 60 *bezogen auf das Schüttgewicht durch Rütteln verdichteten Materials "Hegeman " ist ein bekanntes Maß für die Qualität oder Gleichförmigkeit der Feinheit von Stoffteilchen. In diesem Zusammenhang wird auf die Broschüre der Firma Sherwin-Williams verwiesen, die "Hegeman Grind Gauge Reading Procedure" betitelt ist und eine Kurzdarstellung ihres Testverfahrens Bo. 441 beinhalten soll. WeiterkJin wird auf einen Artikel von D. Doubleday und A. Barkman der Sherwin-Williams Co., betitelt "Reading the Hegeman Grind Gauge", in der Zeitschrift ?Paint, Oil and Chemieal Review vor 22.Juni 1950, S. 34 - 39 verwiesen.
• Dic vorgenannte Tabelle II zeigt hinsichtlich der Qualität, daß das Produkt der trichterförmigen Düse nicht nur feiner als das der geraden ist, sondern daß das erstere auch gleichförmiger ist, wie sich aus dem Ausschlag des Hegeman-Meßgerätes bei 7 1/2 gegenüber 5 1/2 für die gerade Düse ablesen läßt. Die Oberfläche hat sich ebenfalls, gleichzeitig mit der Abnahme des Schüttgewichts, vergrößert.
• Die Erfindung erstreckt sich ebenfalls auf die Verwendung einer oder mehrerer sich erweiternder Düsen, die eine Stoßwelle erzeugen können, zusammen mit einer oder mehreren Düsen, die keine Stoßwelle erzeugen können, wobei die Achsen aller Düsen sich gegenseitig unter einem weiten Winkel kreuzen, so daß die aus den Düsen austretenden Ströme aufeinanderprallen.

Claims (9)

Ansprüche

1. Verfahren zum Zerkleiner grober Feststoffteilchen, mit Hilfe von Strömungsenergie, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein aus gsoben, 2n Dampf suspendierter Teilchen bestehender Dispersionsstrom unter Druck gefördert wird, daß die Querschnittfläche des Stromes verhältnismäßig schnell reduziert und dadurch die Geschwindigkeit des Stromes fast auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt und der Druck des Stromes herabgesetzt wird, daß die Querschnittfläche des Stromes relativ allmählich vergrößert wird und dadurch der Druck des Stromes weiter herabgesetzt und seine Geschwindigkeit auf Überschallge schwind igk'eit erhöht wird, daß die Geschwindigkeit des Stromes schnell auf Unterschallgeschwindigkeit gebremst und dadurch am unteren Ende des Stromes eine stehende Stoßwelle erzeugt wird und daß der Strom aus groben Teilchen durch diese stehen de Stoßwelle geleitet wird, wodurch die groben Teilchen stark abgebremst und einer extrem hohen Scherkrafteinwirkung unterworfen werden, wobei sie in eine Vielzahl kleinerer Teilchen zerkleinert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Strömen gebildet wird, wobei mindestens einer eine kürzere, stark abnehmende und-eine längere, allmEhlich sich vergrößernde Querschnittfläche aufweist und in einer Richtung strömt-, in de--'er axial unter einem weiten Winkel auf einen anderen Strom aufprallt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichneu, daß dies Ströme diametral und; axial unter einem Winkel von 180° aufeinandergerichtet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, g e k e n n z e i C h n e t d u. r c h einen Dispersionsstrom, der relativ grobe Teilchen eines brechbaren Feststoffes aufweist, die in einem elastischen Strömungsmedium dispergiert sind, durch eine mit diesem Dispersionsstrom in Wirkverbindung stehende Trichterdüse, deren Austrittsöffnung erweitert ausgebildet ist, um den Dispersionsstrom auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen und durch eine Expandierung des Dispersionsstromes zur Erzeugung einer stellenden Stoßwelle, die auf die zu zerkleinernden Teilchen einwirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse als Doppeltrichterdüse ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar trichterförmiger Düsen so angeordnet ist, daß die Düsen sich mit ihren Austrittsöffnungen im wesentlichen gegenüberliegen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Divergenzwinkel der Austrittsöffnung zwischen 15 und 90° beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvergenzwinkel der Düse zwischein 45 und l90° und der Divergenzwinkel der Aus trittsöffnung zwischen 15 und 60° beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvergenzwinkel des sich verjüngenden Düsenabschnittes größer als der Divergenzwinkel des sich erweiternden Düsenabschnittes ausgebil det ist.