EP2368638B1

EP2368638B1 - Verfahren und vorrichtung zum kaltmahlen

Info

Publication number: EP2368638B1
Application number: EP11159022.0A
Authority: EP
Inventors: Oliver Dietrich; Thomas Böckler
Original assignee: Messer Group GmbH
Current assignee: Messer Group GmbH
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2031-03-21
Also published as: RS58531B1; PL2368638T3; DE102010012448A1; EP2368638A1; HUE042560T2; ES2714687T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltmahlen, bei dem ein Aufgabegut in einer Mahleinrichtung gemahlen und vor oder während des Mahlvorgangs mit einem flüssigen kryogenen Kältemittel gekühlt wird.
Als besonders schwer mahlbare Produkte gelten Materialien mit gummielastischen, viskoelastischen oder plastischen Eigenschaften und/oder Materialien, die aus unterschiedlichen Gründen eine hohen Agglomerationsbereitschaft der gemahlenen Partikel aufweisen, wie technische Kunststoffe, Wachse, Pharmazeutika oder bestimmte Naturstoffe. Da die genannten Eigenschaften eine zuverlässige Zerkleinerung behindern, werden diese Materialen beim so genannten Kaltmahlen vor dem Mahlvorgang beispielsweise in einem Wirbelschneckenkühler mittels eines kryogenen Kältemittels versprödet und anschließend dosiert der Mühle zugeführt. Problematisch dabei ist, dass beim Mahlvorgang Wärme im beträchtlichen Umfang in das kalte Mahlgut eingetragen wird. Dies macht sich umso stärker bemerkbar, je geringer die Teilchengröße ist. Je kleiner nämlich die Partikel sind, desto höher ist der massenspezifische Energieaufwand, der für die Mahlung erforderlich ist. Unterhalb einer - materialabhängigen - Teilchengröße von wenigen Mikrometern neigen die bereits gemahlenen Partikel dazu, sich zu neuen Agglomeraten zusammenfügen. Die beim Mahlen auftretenden hohen Temperaturen können so zu einem Zusammensintern der Teilchen führen mit der Folge, dass die Agglomerate eine vergleichbare Festigkeit zum ursprünglichen Aufgabegut aufweisen. In der DE 2 516 764 A1 wird daher eine Mahlgutkühlung beschrieben, bei der das Mahlgut auch in der Mühle selbst mit einem Kaltgasstrom, beispielsweise einem Strom aus kaltem Stickstoffgas, beaufschlagt wird. Problematisch bei derartigen Kühlverfahren, die mit Gas als Kältemittel arbeiten ist jedoch, dass zwischen dem Aufgabegut und dem gasförmigen Kältemittel nur eine sehr schlechte Wärmeübertragung erfolgt, was zur Folge hat, dass eine große Menge an gasförmigem Kältemittel zur Verfügung gestellt werden muss.
Im Hinblick auf die Wärmeleitung weitaus vorteilhafter gestaltet sich eine Kühlung des Aufgabeguts mittels eines im flüssigen Zustand vorliegenden kryogenen Kältemittels. Ein derartiges Verfahren, bei dem insbesondere flüssiger Stickstoff als Kältemittel zum Einsatz kommt, ist beispielsweise aus der DE 10 2007 051 548 A1 bekannt. Die Wärmeübertragung ist hierbei so gut, dass innerhalb der Teilchen des Aufgabeguts eine große Temperaturdifferenz zwischen der schnell abgekühlten Außenoberfläche und dem noch warmen Kern auftritt, die wiederum die Zerkleinerung der Teilchen begünstigt. Aus diesem Grunde ist dieses Verfahren besonders geeignet, um auch beim Mahlen von plastischen, viskoelastischen und gummielastischen Werkstoffen problemlos Korngrößen von unter 10 µm, insbesondere 1 bis 3 µm realisieren, wobei auf die Zugabe von Additiven (Substanzen, die eine Re-Agglomeration der gemahlenen Teichen im Anschluss an den Mahlprozess verhindern sollen) verzichtet werden kann. Problematisch dabei ist jedoch, dass tiefkalt verflüssigtes Kältemittel mit Siedetemperatur durch die entsprechenden Zuleitungen geführt wird. Ein Teil des Kältemittels wird daher durch den unvermeidlichen Wärmeeintrag über die Wände der Zuleitungen bereits bei der Zuführung zur Mahleinrichtung verdampfen und somit die Kühlwirkung beeinträchtigen. Insbesondere dann, wenn die Zuführung des Kältemittels mittels eines Ventils geregelt wird, das im Rahmen der Regelung für eine gewisse Zeit die Zuführung des Kältemittels vollständig unterbindet, bildet sich stromauf zum Ventil eine Gasblase in der Zuleitung aus, die auch nach vollständigem Öffnen des Ventils für eine gewisse Zeitdauer eine nur unzureichende Kühlung des Aufgabeguts bewirkt. Infolge der Unkenntnis über die tatsächliche Größe der Gasblase kann es dadurch zu einem Überschwingen des Regelkreises bis hin zu einer positiven Rückkopplung kommen, wodurch eine Regelung des Systems gänzlich verunmöglicht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kaltmahlen von Mahlgut unter Zuhilfenahme eines verflüssigten kryogenen Kältemittels zu schaffen, das eine zuverlässige Regelung der Kühlung ermöglicht und darüber hinaus sparsam und effizient im Einsatz ist.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass das kryogene Kältemittel vor seiner Zuführung an die Mahleinrichtung auf eine Temperatur unter seinen Siedepunkt unterkühlt wird.
Erfindungsgemäß wird also das flüssige kryogene Kältemittel (die Ausdrücke "flüssiges" und "verflüssigtes" kryogenes Kältemittel" werden im Folgenden synonym gebraucht) während seiner Zuführung zur Mahleinrichtung unterkühlt, also auf eine Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur gebracht. Durch die Unterkühlung wird Kältemittel, das bereits in die Gasphase übergegangen ist, wieder verflüssigt und das Kältemittel gelangt zumindest weitgehend im verflüssigtem Zustand in die Mahleinrichtung. Die verringerte Gasentwicklung innerhalb der Zuleitung führt zu einem gleichmäßigen Zustrom an Kältemittel in die Mahleinrichtung, der gut geregelt werden kann. Zudem befindet sich bevorzugt das verflüssigte kryogene Kältemittel auch innerhalb der Mahleinrichtung noch im unterkühlten Zustand, wodurch das Aufgabegut länger mit dem verflüssigten kryogenen Kältemittel in Kontakt steht. Als "unterkühlt" soll hier ein Zustand bezeichnet werden, bei dem das flüssige kryogene Kältemittel eine Temperatur deutlich unterhalb der Siedetemperatur bei den jeweiligen Druckverhältnissen in der Zuleitung aufweist. Die Unterkühlung erfolgt dabei beispielsweise durch thermischen Kontakt mit einem Kälteträger entsprechend niedrigerer Temperatur.
Als Mühle kommt beispielsweise eine Mühle mit Mahlkörpern zum Einsatz, bei der das Mahlgut mit den Mahlkörpern in einen Mahlbehälter gegeben und unter der Bewegung der Mahlkörper gegeneinander sowie gegen die Behälterwand zerrieben wird. Beispiele für derartige Mühlen sind Kugel-, Stab-, Schwing-, Rührwerk-, Rührwerkskugel- oder Planetenmühlen. Darüber hinaus kommen Prallmühlen, wie zum Beispiel Hammer-, Stift-, Universal- und Luftstrahlmühlen, sowie Friktionsmühlen, wie Rotor- und Langspaltmühlen, und Schneidmühlen zum Einsatz. Der direkte Kontakt des Aufgabeguts mit dem verflüssigten kryogenen Kältemittel ermöglicht eine sehr gute Wärmeübertragung vom Aufgabegut auf das Kältemittel. Der insbesondere bei Mahlgut mit elastischen oder plastischen Eigenschaften hochproblematische Wärmeeintrag durch das Mahlen wird also während des Mahlvorgangs laufend kompensiert und kann somit gut kontrolliert werden. Der direkte Kontakt des Aufgabeguts mit dem flüssigen kryogenen Kältemittel im Mahlbehälter und/oder im Produktkühler führt zu einer sehr raschen Kühlung des Aufgabeguts. Die dadurch hervorgerufenen inneren Spannungen mindern die Festigkeit der Aufgabeteilchen und begünstigen dadurch wiederum den Zerkleinerungsprozess. Beim erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich mit einem verhältnismäßig geringen apparativen Aufwand auch beim Mahlen von plastischem, viskoelastischen und gummielastischen Werkstoffen problemlos Korngrößen von unter 500 µm erreichen. Das zumindest überwiegend im festen oder flüssigen Zustand eingetragene Kältemittel verdampft beim thermischen Kontakt mit dem Aufgabegut bzw. dem Mahlkörpern und wird anschließend abgeführt oder zur Kühlung einer dem Mahlbehälter nachgeordneten Klassierungseinheit, etwa ein Filter oder ein Sichter, eingesetzt, um eine Re-Agglomeration bei der Klassierung zu unterbinden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Mengenstrom und/oder die Temperatur des der Mahleinrichtung zuzuführenden kryogenen Kältemittels in Abhängigkeit von einem oder in Abhängigkeit von einem oder mehreren in der Mahleinrichtung gemessenen Parameter(n), insbesondere der Temperatur des Mahlguts, geregelt wird. Selbst bei einem geringen Mengenstrom kann auf diese Weise durch eine entsprechend stärkere Unterkühlung der Wärmeeintrag über die Wände der Zuleitung problemlos kompensiert und/oder gewährleistet werden, dass das Kältemittel im noch unterkühlten Zustand in die Mahleinrichtung und/oder einer der Mahleinrichtung vorgeschalteten Kühleinrichtung eingebracht wird.
Die Temperaturdifferenz, um die das zuvor auf seiner Siedetemperatur vorliegende Kältemittel abgekühlt wird, bemisst sich nach der Forderung, dass kryogene Kältemittel bei seiner Zuführung an die Mahleinrichtung oder einer der Mahleinrichtung vorgeschalteten Vorkühleinrichtung zumindest noch weitgehend im flüssigen Zustand vorliegt und/oder im noch unterkühlten Zustand in die Mahleinrichtung bzw. die Vorkühleinrichtung eingetragen wird. Bevorzugt beträgt daher die Temperaturdifferenz zum Siedepunkt nach der Unterkühlung mindestens 2K, bevorzugt mindestens 5K, besonders bevorzugt mindestens 10K.
Als bevorzugtes kryogenes Kältemittel kommt flüssiger Stickstoff zum Einsatz. Die Unterkühlung erfolgt beispielsweise durch thermischen Kontakt mit einem kryogenen Kältemittel, das einen niedrigeren Siedepunkt aufweist, z.B. mit einem Bad aus flüssigem Stickstoff, in dem durch Druckerniedrigung eine tiefe Temperatur erreicht wird. Beispielsweise wird ein Stickstoffbad bereitgestellt, in dem ein Druck von 1000 mbar aufrecht erhalten wird, wodurch sich in dem Stickstoffbad eine Temperatur von 77 K einstellt; eine Druckerniedrigung des Stickstoffbads auf 100 bis 200 mbar führt gar zu einer Abkühlung auf 60 K bis 66 K. Der mit diesem Stickstoffbad in thermischen Kontakt gebrachte flüssige Stickstoff in der Zuleitung kann so problemlos auf eine Temperatur von beispielsweise 78 K bis 80 K gekühlt werden.
Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
Die einzige Zeichnung (Fig. 1) zeigt in schematischer Ansicht eine Vorrichtung zum Kaltmahlen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 1 umfasst eine Mahleinrichtung 2 und eine der Mahleinrichtung 2 vorgeschaltete Kühleinheit 3. Bei der Mahleinrichtung 2 handelt es sich beispielsweise um eine Prallmühle, bei der das Aufgabegut im Innern eines Mahlbehälters 2 mittels rotierender Stiftscheiben zerkleinert werden. Die Kühleinheit 3 umfasst beispielsweise einen Wirbelschneckenkühler, in den das über einen Aufgabetrichter 4 eingegebene Aufgabegut mit einem verflüssigten kryogenen Kältemittel in direkten Kontakt gebracht wird.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 einen Tank 5 für ein tiefkalt verflüssigtes kryogenes Kältemittel. Als "tiefkalt verflüssigt" wird hier ein Gas verstanden, dessen flüssiger Zustand dadurch erhalten bleibt, dass seine Lagertemperatur durch technische Maßnahmen wie Kühlung und/oder Isolation gehalten wird. Der Tank 5 ist über eine thermisch isolierte Zuleitung 6 mit der Kühleinheit 3 strömungsverbunden; eine weitere, an einer Abzweigung 7 von der Zuleitung 6 ausgehende ebenfalls thermisch isolierte Zuleitung 8 stellt eine Strömungsverbindung zwischen Tank 5 und der Mahleinrichtung 2 her. Das Vorhandensein beider Zuleitungen 6,8 ist im Rahmen der Erfindung keineswegs erforderlich; er kann auch eine Zuleitung des tiefkalt verflüssigten Kältemittels entweder in die Kühleinheit 3 oder in die Mahleinrichtung 2 erfolgen. Die Zufuhr von verflüssigtem kryogenen Kältemittel aus dem Tank 5 zur Kühleinheit 3 bzw. der Mahleinrichtung 2 kann durch Betätigung von Mengenregelventilen 9, 10 gesteuert werden. Am Eingang der Kühleinheit 3 ist eine gasdichte Dosiereinheit 12 angeordnet. Eine weitere gasdichte Materialschleuse 13 befindet sich am Ausgang der Mahleinrichtung 2. In der Kühleinheit 3 und der Mahleinrichtung 3 verdampftes kryogenes Kältemittel wird über eine Gasableitung 14 abgeführt. In der Zuleitung 6 ist eine Einrichtung 15 zum Unterkühlen des verflüssigten kryogenen Kältemittels angeordnet. Bei der Einrichtung 15 handelt es sich beispielsweise um eine Kältemaschine oder um einen Wärmetauscher. Beispielsweise umfasst die Einrichtung 15 ein Bad des gleichen Kältemittels wie das im Tank 5 gespeicherte, dessen Temperatur jedoch durch Druckerniedrigung herabgesetzt wurde und somit imstande ist, das durch die Zuleitung 6 geführte Kältemittel auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunktes zu kühlen. Eine Rechnereinheit 16 steht mit hier nicht gezeigten, beispielsweise die Temperatur in der Mahleinrichtung 2 detektierenden Sensoren im Innern der Mahleinrichtung 2 sowie mit den Mengenregelventilen 9, 10, der Dosiereinheit 12, der Materialschleuse 13 und der Einrichtung 15 in Datenverbindung.
Beim Einsatz der Vorrichtung 1 wird das Aufgabegut über den Aufgabetrichter 4 der Kühleinheit 3 zugeführt und dort in direkten Kontakt mit dem über Zuleitung 6 herangeführten verflüssigten kryogenen Kältemittel gebracht. Dadurch, dass das Kältemittel in der Kühleinheit 3 zumindest teilweise noch im verflüssigten Zustand vorliegt, erfolgt eine besonders gute Wärmeübertragung vom Aufgabegut auf das Kältemittel. Das beim Kühlprozess verdampfte Kältemittel wird über die Gasableitung 14 abgeführt. Das vorgekühlte Aufgabegut gelangt anschließend in die Mahleinrichtung 2 und wird dort gemahlen. Über die Zuleitung 7 kann auch hier Kältemittel zugeführt werden, um die beim Mahlen entstehende Prozesswärme abzuführen und das Mahlgut während des Mahlens auf eine niedrige Temperatur zu halten. Das gemahlene Gut wird anschließend über die Materialschleuse 13 aus der Vorrichtung 1 abgeführt und beispielsweise in einen hier nicht gezeigten Transportbehälter befüllt.
Die Regelung des Zuflusses an Kältemittel erfolgt mittels der Rechnereinheit 16. In der Rechnereinheit 16 wird laufend oder in vorgegebenen Zeitabständen ein oder mehrere Parameter in der Mahleinrichtung erfasst, beispielsweise die Temperatur in der Mahleinrichtung 2 oder die Korngröße des gemahlenen Guts. Hieraus wird nach einem vorgegebenem Programm ein Wert für den Zustrom an Kältemittel durch die Zuleitungen 6 und/oder 7 berechnet und die Mengenstromventile 9, 10 entsprechend angesteuert. Unterschreitet beispielsweise die Temperatur in der Mahleinrichtung 2 einen vorgegebenen Wert, werden die Mengenstromventile 9, 10 gedrosselt oder vollständig geschlossen. Um sicherzustellen, dass das Kältemittel nicht bereits in den Zuleitungen 6,7 teilweise verdampft und im gasförmigen Zustand - und somit für die Wärmeübertragung nachteilig - die Kühleinheit 3 bzw. die Mahleinrichtung 2 erreicht, wird das Kältemittel mittels der Einrichtung 15 unterkühlt, d.h. auf eine Temperatur gebracht, die mindestens 2 bis 10 K unterhalb seiner Siedetemperatur liegt. Dadurch erreicht das Kältemittel die Kühleinheit 3 bzw. die Mahleinrichtung 2 zumindest weitgehend im flüssigen Zustand. Auch innerhalb der Kühleinheit 3 bzw. der Mahleinrichtung 2 kann sich das Kältemittel zunächst noch im unterkühlten Zustand befinden, mit der Folge, dass das Kältemittel beim Kühlprozess für eine längere Zeitdauer im flüssigen Zustand befindet und somit eine sehr effiziente Kühlung des Mahlguts auf beispielsweise 120 bis 100 K oder darunter bewirkt. Aufgrund der starken Kühlung kann das Mahlgut, auch bei chemisch aktiven Stoffen oder Stoffen mit plastischen oder elastischen Eigenschaften, zuverlässig auch auf Korngrößen unterhalb von 500 µm gemahlen werden. Im Ausführungsbeispiel kann auch die Unterkühlung mittels der Rechnereinheit 16 gesteuert und die Temperatur des Kältemittels in den Zuleitung 6,7 in einem weiten Bereich, beispielsweise auf Werte zwischen 80 K und 92 K variiert werden. Auf diese Weise wird die Mahleinrichtung 2 bzw. die Kühleinheit 3 auch bei unterschiedlichen Mengenströmen an zugeführtem Kältemittel nicht mit überflüssigem Gas beaufschlagt. Der Stromverbrauch der Vorrichtung 1 wird insgesamt gesenkt und die Mahlgutdurchsatzleistung wird gesteigert.
Beispiel: Im vakuumisolierten Tank 5 werde flüssiger Stickstoff bei einem Tankdruck von ca. 7,8 bar bei Siedetemperatur gelagert. Für den Mahlprozess soll 5 kW Wärmeleistung durch Flüssigstickstoff abgeführt werden, entsprechend einem Flüssigstickstoffbedarf von 55 kg/h. Bei einer Gesamtlänge der vakuumisolierten Zuleitungen 6, 7 von 50 m und einem angenommenen Wärmeeintrag von 1 W/m in die Zuleitungen 6, 7 beträgt der gesamte Wärmeeintrag über die Zuleitung 50 W. Dadurch verdampfen - ohne Unterkühlung - 1,12 kg Stickstoff (entsprechend einem Masseanteil von 2 %) bereits in der Zuleitung, was einem Volumenanteil von ca. 30,5 Vol.-% entspricht. Durch die erfindungsgemäße Unterkühlung mittels der Einrichtung 15 wird die Temperatur des flüssigen Stickstoffs in der Zuleitung auf einen Wert von beispielsweise ca. 85 K gesenkt. Dadurch kann nicht nur die gesamte in die Zuleitungen 6,7 eingetragene Wärme vom flüssigen Stickstoff aufgenommen werden ohne dass dieser verdampft, sondern der flüssige Stickstoff gelangt darüber hinaus mit einer Temperatur von ca. 87 K, also deutlich unter seiner Siedetemperatur, zur Kühleinheit 3 bzw. der Mahleinrichtung 2.

Bezugszeichenliste

1.: Vorrichtung
2.: Mahleinrichtung
3.: Kühleinheit
4.: Aufgabetrichter
5.: Tank
6.: Zuleitung
7.: Abzweigung
8.: Zuleitung
9.: Mengenregelventil (in Zuleitung 6)
10.: Mengenregelventil (in Zuleitung 8)
11.: -
12.: Dosiereinheit
13.: Materialschleuse
14.: Gasableitung
15.: Einrichtung zum Unterkühlen
16.: Rechnereinheit

Claims

Verfahren zum Kaltmahlen, bei dem ein Aufgabegut in einer Mahleinrichtung (2) gemahlen und vor oder während des Mahlvorgangs mit einem flüssigen kryogenen Kältemittel gekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das flüssige kryogene Kältemittel vor seiner Zuführung an die Mahleinrichtung (2) auf eine Temperatur von mindestens 2K unterhalb seines Siedepunkts unterkühlt wird und zumindest weitgehend im verflüssigten Zustand in die Mahleinrichtung (2) gelangt und der Mengenstrom und/oder die Temperatur des der Mahleinrichtung (2) zuzuführenden kryogenen Kältemittels in Abhängigkeit von einem oder mehreren in der Mahleinrichtung (2) gemessenen Parameter/n, insbesondere der Temperatur des Mahlguts geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte kryogene Kältemittel um eine Temperatur von mindestens 5 K, bevorzugt mindestens 10 K, unterkühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als kryogenes Kältemittel flüssiger Stickstoff eingesetzt wird.