DE3833830A1 - Verfahren und vorrichtung zum kaltmahlen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum kaltmahlenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Kaltmahlen in einer Fließbett-Gegenstrahlmühle.
Strahlmühlen sind seit langem bekannte Zerkleinerungs
maschinen, in denen die zu zerkleinernden Teilchen
durch Gasströme beschleunigt und durch Zusammenprall
zerkleinert werden. Es gibt eine Anzahl unterschied
licher Strahlmühlenkonstruktionen. Sie unterscheiden
sich durch die Art der Gasführung, durch die Art des
Aufprallens der Teilchen gegeneinander oder auf eine
Prallfläche und dadurch, ob die zu zerkleinernden Teil
chen im Gasstrahl mitgeführt werden oder ob der Gas
strahl auf die Teilchen auftrifft und sie mitreißt. Als
Mahlgas wird gewöhnlich Luft oder Heißdampf verwendet.
Bei der Fließbett-Gegenstrahlmühle treffen freiexpan
dierende Gasstrahlen in einer Mahlkammer aufeinander,
in welcher sich das Mahlgut in Form eines Fließbettes
befindet. Die Vermahlung erfolgt hierbei praktisch aus
schließlich durch Aufeinanderprall der Mahlgutteilchen
gegeneinander, die Vermahlung ist somit nahezu ver
schleißfrei. Der Fließbett-Gegenstrahlmühle ist ein
Sichter zugeordnet, in welchem das gewonnene Feingut
vom noch nicht genügend zerkleinerten Grobgut abge
trennt wird. Das Grobgut wird in die Mahlkammer zurück
geführt.
Viele Stoffe, beispielsweise Kunststoffe, lassen sich
wegen ihrer Zähigkeit nur schlecht oder überhaupt
nicht auf feine Korngrößen vermahlen. Durch Kältezufuhr
und die dadurch bewirkte Versprödung der Werkstoffe
lassen sich die Mahleigenschaften derartig zäher Werk
stoffe verbessern. Bei Strahlmühlen kühlt man deshalb
den Treibgasstrom ab, wie es beispielsweise in der DE-
OS 21 33 019 beschrieben ist. Die Abkühlung des Treib
gasstromes ermöglicht es, Materialien zu mahlen, die
unter normalen Bedingungen in Strahlmühlen nicht
mahlbar wären. Trotz intensiver Abkühlung, beispiels
weise mit flüssigem Stickstoff, und trotz der Eigenab
kühlung des Treibgasstromes infolge seiner Expansion,
läßt die erreichbare Verbesserung der Mahlbarkeit
jedoch sehr zu wünschen übrig. Zwar lassen sich feine
Korngrößen erreichen, jedoch nur mit einem überaus
hohen Zeit- und Energieaufwand.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltmahlen zu
schaffen, welche einen geringen Bedarf an Energie und
Kältemittel erfordern und gleichzeitig die Feinstzer
mahlung von Produkten auf bisher praktisch nicht er
reichbare feinste Korngrößen bei wesentlicher Durch
satzsteigerung ermöglichen.
Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be
rücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe er
findungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü
chen angegeben.
Die Erfindung beruht daher auf der Überlegung, nicht
den Treibgasstrom, sondern das umlaufende Grobgut mit
einem kryogenen Kältemittel zu kühlen. Die erfindungs
gemäße Maßnahme bewirkt eine sprunghafte Verbesserung
der Mahlergebnisse, wie aus den weiter hinten aufge
stellten Betriebsergebnissen ersichtlich ist.
Es ist überraschend, daß sich dies allein durch die er
findungsgemäße Maßnahme, nicht den Treibgasstrom, son
dern das umlaufende Grobgut zu kühlen, erreichen läßt.
Die Erfinder folgerten dies aus Betriebsversuchen mit
einer Fließbett-Gegenstrahlmühle, bei der sich trotz
intensiver Abkühlung des Treibgasstromes mit flüssigem
Stickstoff für das umlaufende Grobgut im Sumpf der Müh
le nur eine geringe Abkühlung ergab. Die Erfinder
schlossen hieraus, daß die Kühlung am Grobgut selbst
erfolgen müsse, um die Mahlleistung zu verbessern.
Spätere theoretische Überlegungen bestätigten die Rich
tigkeit dieser Folgerung.
Wesentlich hierbei ist, daß dann, wenn mit einem ge
kühlten Treibgasstrom gemahlen wird, die in Wärme umge
wandelte Stoßenergie eines Teilchens nur unvollkommen
auf den kalten Gasstrom übergeht. Dies hat mehrere Ur
sachen. So ist die Zeit für den Wärmeübergang vom Teil
chen auf das Gas extrem kurz. Da die Wärmekapazität mit
sinkender Temperatur kleiner wird, ist die Temperatur
erhöhung durch einen Stoß bei tiefen Temperaturen grö
ßer als bei höheren Temperaturen. Die Relativbewegung
zwischen Teilchen und kaltem Treibgas ist gering, so daß
die Werte für den Wärmeübergang ebenfalls abfallen.
Hinzu kommt, daß die Wärmeleitfähigkeit vieler Mahlgü
ter an sich schon niedrig ist und mit sinkender Tempera
tur noch schlechter wird. Ferner ist die Beschleuni
gungsenergie von kaltem Gas schlechter als von warmem
Gas. Je feiner die angestrebten Korngrößen werden, um
so schlechter werden daher die Mahlbedingungen beim
Mahlen mit einem gekühlten Treibgasstrom. Dies trifft
besonders auf Thermoplaste zu, die einen sehr niedrigen
Kristallisationsbereich haben. Deren Mahlung wird völ
lig unwirtschaftlich.
Durch die Erfindung läßt sich auf Fließbett-Gegen
strahlmühlen eine beträchtliche Durchsatzsteigerung
erreichen. Es lassen sich Teilchen höchster Feinheit
mit entsprechender Oberflächenvergrößerung und glatter
Oberflächenstruktur herstellen. Das Endprodukt wird gut
rieselfähig und besitzt ein hohes Schütt- und Rüttge
wicht. Insbesondere Werkstoffe, die zäh, gummielastisch,
klebrig oder schmierig sind, lassen sich mit dem er
findungsgemäßen Verfahren hervorragend mahlen. Hierbei
handelt es sich vor allem um Naturstoffe, viele Pharma
produkte, Thermoplaste, Wachse und hochmolekulare
Kunststoffe. Als Kältemittel kommen in erster Linie
verflüssigte Gase, insbesondere Stickstoff, in Frage,
aber auch Kohlendioxid. Diese können im einfachsten
und in vielen Fällen zweckmäßigsten Fall direkt in den
Sumpf der Mühle eingespeist werden. Selbstverständlich
ist auch eine indirekte Kühlung des Grobgutes möglich.
Eine indirekte Kühlung kann auch durch andere Kältemit
tel, beispielsweise Solebäder, erfolgen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand
der beigefügten Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Fließbett-Gegenstrahlmühle
in schematischer Form,
Fig. 2 die Kühlung des Sumpfes der Fließbett-
Gegenstrahlmühle von Fig. 1,
Fig. 3 eine Mischform aus direkter und
indirekter Kühlung des Sumpfes,
Fig. 4 eine Ausführungsform ähnlich Fig. 3,
jedoch mit ausschließlich direkter
Kühlung,
Fig. 5 eine direkte Kühlung des zurück
strömenden Grobgutes außerhalb des
Sumpfes der Mühle,
Fig. 6 eine indirekte Kühlung des zurück
strömenden Grobgutes außerhalb des
Sumpfes der Mühle.
In der nachfolgenden Beschreibung sind für gleiche Tei
le in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwen
det worden.
Fig. 1 zeigt eine Fließbett-Gegenstrahlmühle in schema
tischer Form. Die Mühle besteht aus einem Gehäuse 1,
welches die Mahlkammer 2 und den Sumpf 3 umfaßt. Das
Treibgas tritt durch die Düsen 4 in die Mahlkammer 2
ein. An das Gehäuse 1 schließt sich der Sichter 5 an.
Das zu mahlende Grobgut befindet sich in Form eines
Fließbettes 6 in der Mahlkammer. Das Mahlgut wird durch
die Schleuse 7 zudosiert. Das im Sichter 5 abgetrennte
Feingut 10 wird durch den Feingutaustritt 8 abgezogen,
wie durch den Pfeil 9 angegeben, und der Filteranlage
15 zugeführt. Diese besitzt einen Stutzen 16 für
das Abgas und eine Entnahmeschleuse 17 für das gewon
nene Feingut 10. Das Grobgut 11 strömt vom Sichter 5
zurück in die Mahlkammer 2. Das Treibgas, mit dem die
Düsen 4 beaufschlagt werden, wird durch die Zufuhrlei
tung 14 herbeigeführt.
Erfindungsgemäß wird das sich im Sumpf 3 der Mühle be
findende Grobgut durch flüssigen Stickstoff abgekühlt.
Dieser wird durch die Leitung 12 und den porösen Ein
tragkörper 13 eingeleitet. Poröse Eintragkörner eignen
sich besonders für kleine Mühlen. Für Mühlen mit grö
ßeren Durchmessern sind andere Eintragsysteme, bei
spielsweise Düsenplatten, vorzuziehen, um den Stick
stoff möglichst feinzerteilt eintragen zu können. Die
Stickstoffzufuhr durch die Leitung 12 und den porösen
Eintragkörper 13 erfolgt in Abhängigkeit von der
Temperaturregelung 18. Die Mahlgutaufgabe durch die
Schleuse 7 kann auch direkt in den Sumpf 3 erfolgen.
Die Feinfraktion des Feingutes 10 wird durch die
Drehzahl des Sichters 5 bestimmt. Das vom Sichter 5
zurückströmende Grobgut 11 bildet zusammen mit dem aus
der Schleuse 7 eintretenden Mahlgut das Fließbett 6.
Der durch den porösen Eintragkörper 13 eintretende
flüssige Stickstoff verdampft und kühlt den Sumpf der
Mühle, d.h. das vom Sichter 5 zurückströmende Grobgut
11 und gegebenenfalls frischaufgegebenes Mahlgut. Der
verdampfte kalte Stickstoff zieht nach oben durch das
Gut ab und tritt in die Mahlzone ein. Kaltgas, Grobgut
und Mahlgut bilden unterhalb der Mahlkammer 2 im Sumpf
3 eine erste Fließbettzone.
Fig. 2 zeigt in schematischer Form den unteren Teil der
Fließbett-Gegenstrahlmühle von Fig. 1, jedoch mit der
Schleuse 7 für das Mahlgut direkt am Sumpf 3 angeordnet.
Die Pfeile 19 verdeutlichen das nach oben zum Sichter
hin abziehende Gemisch aus Kaltgas, Treibgas, Grobgut
und Feingut.
Fig. 3 zeigt eine Variante mit indirektem und direktem
Wärmeaustausch zwischen zugeführtem Stickstoff und
Mahlgut. Die Zufuhr des flüssigen Stickstoffes erfolgt
durch die Leitungen 20 und 21. Der durch die Leitung 21
eintretende flüssige Stickstoff gelangt in ein an den
Stirnflächen geschlossenes doppelwandiges Rohr 22. Die
ses doppelwandige Rohr 22 besitzt nach innen gerichtet
Austrittsöffnungen 23. Der gesamte untere Teil des
Mühlengehäuses ist ebenfalls als doppelwandige Kammer
24 ausgebildet. In sie mündet die Leitung 20. Die Kammer
24 besitzt im Sumpf 3 angeordnete Austrittsöffnungen 25
für den durch die Leitung 20 zugeführten Stickstoff.
Das vom Sichter zurückströmende Grobgut 11 wird daher
zunächst in dem Bereich zwischen dem doppelwandigen
Rohr 22 und der Kammer 24 indirekt gekühlt. Anschließend
erfolgt eine direkte Kühlung durch den aus den Aus
trittsöffnungen 23 und 25 austretenden Stickstoff.
Je nach Betriebsweise kann dieser noch flüssig oder be
reits gasförmig sein.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich Fig. 2, jedoch
mit einem verlängerten Sumpf 3. Durch eine rohrförmige
Schürze 26 wird hierbei dem Grobgut 11 und dem Kaltgas
eine bestimmte Strömungsform aufgeprägt. Die Schürze 26
trennt die Mahlkammer in einen zentralen Schacht 37, wo
der Mahlvorgang stattfindet, und in einen ringförmigen
Schacht 38 für das zurückströmende Grobgut. Die Zufuhr
des flüssigen Stickstoffes erfolgt an zwei Stellen,
nämlich durch die Leitung 12 a direkt in den Sumpf 3 und
durch die Leitung 12 b in ein Einsprühsystem 39 im ring
förmigen Schacht 38. Der durch die Leitung 12 b einge
leitete Stickstoff kühlt demnach unmittelbar das vom
Sichter zurückströmende Grobgut.
Fig. 5 zeigt eine Variante mit direktem aber externem
Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Grobgut. Das im
extern angeordneten Sichter 5 abgetrennte Grobgut ge
langt durch die Leitung 27 in den Filter 28. Durch
Leitung 29 zieht das Abgas ab, während das Grobgut zu
sammen mit gegebenenfalls durch die Leitung 30 zudo
siertem Mahlgut in eine Wirbelschnecke 31 eintritt. Die
Wirbelschnecke 31 wird mit flüssigem Stickstoff beauf
schlagt, der durch die Leitung 32 eintritt. Das Gemisch
aus abgekühltem Grobgut und verdampftem Stickstoff
strömt durch die Leitung 33 in den Sumpf 3.
Fig. 6 zeigt eine Variante der Ausführungsform gemäß
Fig. 5. Das Grobgut aus dem Filter 28 und gegebenenfalls
Mahlgut aus der Leitung 30 treten hierbei in einen
Wärmeaustauscher 35 ein. Von dort gelangen sie, indirekt
gekühlt, in den Sumpf 3. Die Kühlung erfolgt durch
flüssigen Stickstoff der durch die Leitung 34 in den
Wärmeaustauscher 35 eingeleitet wird. Der verdampfte
gasförmige Stickstoff gelangt dann durch die Leitung 36
als Kaltgas ebenfalls in den Sumpf 3, wo eine anschlie
ßende weitere direkte Kühlung stattfindet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebe
nen Ausführungsformen beschränkt, da zahlreiche weitere
Möglichkeiten für die Abkühlung des vom Sichter zurück
strömenden Grobgutes durch ein Kältemittel bestehen. Es
können auch mehrere Mahlzonen mit Sumpf in Form einer
Kaskade hintereinander geschaltet werden. Hierbei wird
das aus der Mahlzone austretende Gemisch aus Feingut
und Grobgut in einem Filter vom Abgas abgetrennt und
der nächsten Mahlzone zugeführt. Der unter jeder Mahl
zone befindliche Sumpf wird hierbei gemäß der Erfindung
gekühlt. Erst der letzten Stufe wird ein Sichter zuge
ordnet.
Nachstehende Betriebsergebnisse zeigen den Fortschritt
des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der herkömm
lichen Betriebsweise.
Hostalen® GUR 200 ist ein hochmolekulares Polyethylen
der Hoechst AG, Frankfurt. Wie die Betriebsergebnisse
zeigen, konnten beide untersuchten Materialien unter
wirtschaftlichen Bedingungen nicht auf solche Feinhei
ten gemahlen werden, wie sie mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erreichbar sind.
Die Korngrößenanalyse wurde mit einem handelsüblichen
Lasergranolometer (Cilas) ermittelt. Aus der ausge
druckten Kurve wurden die d 10-, d 50- und d 90-Werte als
repräsentative Werte ausgewählt. Zum Beispiel bedeutet
der d 10-Wert von 10,2 µm in Zeile 4 der Tabelle, daß
10% des Endproduktes Körner mit einer Größe unter
10,2 µm sind.
Besonders überraschend ist die Steigerung des Produkt
durchsatzes bei Hostalen® GUR 200 von 2,0 auf 13,0 kg/h
bei gleichzeitig wesentlich engerem Kornband. Durch die
damit verbundene signifikante Vergrößerung der spezi
fischen Oberfläche eröffnen sich neue Anwendungsmög
lichkeiten.
Claims (7)
1. Verfahren zum Kaltmahlen in einer Fließbett-
Gegenstrahlmühle mit einer von Gasstrahlen beauf
schlagten Mahlkammer (2), einer Mahlgutaufgabeein
richtung, einem Sichter (5) zur Trennung von Grob-
(11) und Feingut (10) und einem Sumpf (3) unterhalb
der Mahlkammer für zudosiertes Mahlgut und vom Sich
ter zurückströmendes Grobgut,
dadurch gekennzeichnet,
daß das vom Sichter zurückströmende Grobgut durch
ein kryogenes Kältemittel gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das kryogene Kältemittel in feinzerteilter Form
mit dem Grobgut in Berührung gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das kryogene Kältemittel in den Sumpf eingetra
gen wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 2 oder 3,
gekennzeichnet durch eine im Sumpf einer Fließbett-
Gegenstrahlmühle angeordnete Eintragvorrichtung für
ein kryogenes Kältemittel, welche als an den Stirn
flächen geschlossenes doppelwandiges Rohr (22) aus
gebildet ist, das in axialer Richtung mit Abstand
zu den zylindrischen Wänden der Mahlkammer angeord
net ist und auf die Rohrachse gerichtete Austritts
öffnungen (23) für das Kältemittel aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem doppelwandigen Rohr zugeordneten Wände
der Mahlkammer doppelwandig ausgebildet sind, mit
kryogenem Kältemittel beaufschlagbar sind und in den
Sumpf gerichtete Austrittsöffnungen (25) für das
Kältemittel besitzen.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch eine konzentrische rohrförmige
Schürze (26), welche die Mahlkammer in einen zentra
len Schacht (37) und einen ringförmigen Schacht (38)
trennt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch eine Einsprühvorrichtung (39)
für das kryogene Kältemittel im ringförmigen Schacht.
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