Rührwerkskugelmühle

Dr. Olaf Eichstädt, Dipl.-Ing. Eduard Nater

Die Qualitätsanforderungen an feststoffhaltige Produkte der chemischen Industrie sind in den letzten Jahren enorm gestiegen. Daraus resultiert immer häufiger auch der Wunsch nach einer kontrollierten Führung von Zerkleinerungs- und Dispergierprozessen, da viele Produkteigenschaften – wie zum Beispiel Transparenz oder Farbstärke einer Beschichtung oder auch die Rheologie einer Suspension – stark von der Größe der enthaltenen Partikel abhängen. Die geforderte mittlere Partikelgröße bewegt sich für eine optimale Nutzung des eingesetzten Feststoffs oft im Bereich von wenigen hundert Nanometern. Darüber hinaus können mit Hilfe von engen Partikelgrößenverteilungen Produkteigenschaften gezielt eingestellt werden.

Damit in einem Nasszerkleinerungsprozess eine Partikelgröße im Submikronbereich effizient erreicht werden kann, hat sich in den letzten Jahren der Trend zu Mikromahlkörpern (Durchmesser zwischen 0,2 und 0,6 mm) durchgesetzt. Dabei ergibt sich selbst in einem kleinen Mahlraum durch die hohe Anzahl von Mahlkörpern eine hohe Beanspruchungshäufigkeit. Die Größe der Mahlkörper kann so optimal auf das zu zerkleinernde Produkt abgestimmt und der zum Erreichen der geforderten mittleren Feinheit notwendige Energieeintrag reduziert werden.

Der Einsatz von Mikromahlkörpern wurde bislang immer dann zum Problem, wenn für einen Nasszerkleinerungsprozess ein hoher Produktdurchsatz gefordert wurde: die für die Abtrennung der feinen Mahlkörper üblichen Siebe können leicht verstopfen und die starke Verpressung von Mahlkörpern führt zu unkontrollierbarem Druckaufbau und Energieeintrag.

Bei der Entwicklung der Zentrifugalmühle ZR120 (Abb.1) wurden diese Probleme durch den Einsatz einer Mahlkörperabtrennung im Zentrifugalfeld gelöst. Die ZR120 eignet sich daher besonders für Nasszerkleinerungsprozesse, die in Kreisfahrweise geführt werden sollen. Was jedoch bedeutet Kreisfahrweise, und wo hat sie ihre Vorteile?

Rührwerkskugelmühlen haben als durchmischte Systeme immer eine relativ breite Verweilzeitverteilung, die sich nach einer Passage durch die Mühle auch in einer mehr oder weniger breiten Partikelgrößenverteilung des zerkleinerten Materials auswirkt. Die Verweilzeitverteilung der Mühle verliert jedoch mit wachsender Anzahl der Passagen an Bedeutung, da bei mehreren Durchgängen die Wahrscheinlichkeit abnimmt, dass einzelne Partikel systematisch immer länger oder kürzer in der Mühle verweilen, als es im Mittel zu erwarten ist. Die Breite der Verweilzeitverteilung hängt ebenfalls von der Viskosität des verarbeiteten Produktes ab, da diese einen Einfluss auf die Beweglichkeit des Mühleninhalts hat. Während sich beim Dispergieren in hochviskosen Medien in der Regel mit ein oder zwei Passagen durch eine Mühle ein befriedigendes Ergebnis erzielen lässt, ist dies bei einer Echtzerkleinerung in den dafür notwendigen dünnflüssigen Suspensionen nicht der Fall. Für die Nasszerkleinerung wählt man aus diesem Grund oft die Kreisfahrweise, d.h. das Produkt wird aus einem gerührten Behälter über die Mühle wieder in den Behälter zurückführt oder rezirkuliert. Je höher dabei der Produktdurchsatz durch die Mühle oder die Rezirkulationsrate gewählt werden kann, desto schneller ist die für eine enge Partikelgrößenverteilung notwendige Passagenzahl erreicht.

Aus den Aussagen in den letzen beiden Abschnitten lässt sich ableiten, dass für die optimale Gestaltung eines Nasszerkleinerungsprozesses mit Rührwerkskugelmühlen der Energieeintrag und die Rezirkulationsrate so eingestellt werden sollten, dass zum Ende des Prozesses die erforderliche Energiemenge in die Produktcharge eingetragen und die notwendige Passagenzahl erreicht wurde. Dies bedingt jedoch, dass der Energieeintrag unabhängig von der Rezirkulationsrate eingestellt werden kann. Als Beispiel diene hier die Herstellung pigmenthaltiger Tinten für den Digitaldruck: sowohl zu feine Pigmentpartikel (Reagglomeration) als auch zu große Partikel führen zum Verstopfen der Düsen im Druckkopf. Eine genaue Einstellung der Partikelgrößenverteilung des Pigments ist für Qualität und Brauchbarkeit der Tinte von größter Wichtigkeit.

Die ZR120 wurde konsequent für die Nasszerkleinerung in Kreisfahrweise entwickelt und erfüllt die drei Forderungen, die bislang nur unzureichend in einem Verfahren kombiniert werden konnten:

• die Einsatzmöglichkeit kleinster Mahlkörper für Endfeinheiten im Submikronbereich

• hohe Rezirkulationsraten für eine enge Partikelgrößenverteilung beim Betrieb in Kreisfahrweise

• unabhängige Wahl von Pro-duktdurchsatz und Energieeintrag

Mit etwa 6 l Mahlkörpern erlaubt die ZR 120 Rezirkulationsraten bis 5 m³/h bei einem Energieeintrag in den Produktstrom von über 30 kW.

Mit einer drehenden Trommel (Abb. 2) werden in der ZR120 Zentrifugalkräfte erzeugt, die bis zu 150mal stärker als die Schwerkraft der Erde sind. Im Zentrifugalfeld werden die Mahlkörper in der Mahlkammer nach außen geschleudert und vom zentralen Produktaustritt ferngehalten. Das Produkt tritt durch eine Hohlwelle in die Mahlkammer ein, strömt durch Kanäle im Rotor radial nach außen und von der Peripherie des Rotors wieder von außen nach innen durch die gerührte Mahlkörperschüttung (Abb. 3). Durch diesen Aufbau wirken in der Mahlkammer auf jeden Mahlkörper zum einen die nach außen gerichtete Zentrifugalkraft und zum anderen die zur Mitte der Mahlkammer gerichtete, durch den Strömungswiderstand der Mahlkörper hervorgerufene Schlepp- oder Strömungskraft. Mit der ZR120 lässt sich durch die geeignete Wahl der Zentrifugalkraft die Intensität der Mahlkörperkontakte (Kugeldruck) unabhängig von Produktdurchsatz und -viskosität einstellen. Sollten sich die Strömungskräfte über die Dauer der Produktion verändern (z. B. durch ein Ansteigen der Produktviskosität), kann der Kugeldruck und der Energieeintrag mit Hilfe der vollautomatischen Steuerung trotzdem konstant gehalten werden. Energieeintrag und Produktionsdauer (gegeben durch die Chargengröße, die Anzahl der notwendigen Passagen und die Rezirkulationsrate) lassen sich so optimal an die geforderte Qualität des Endprodukts anpassen.

Die ZR120 eignet sich sowohl für die Verarbeitung von lösemittelhaltigen Beschichtungen wie flüssigen Druckfarben, Automobil- oder Industrielacken als auch für wasserbasierte Suspensionen von Feinchemikalien oder Textilfarbstoffen.

Die Grafik (Abb. 4) zeigt einen Vergleich der ZR120 mit zwei anderen kommerziell erhältlichen Systemen für die Zerkleinerung von Textilfarbstoff. Die Feststoffkonzentration war 40% und die Viskosität der Suspension 200mPa·s. Es kamen 0,3 mm-Mahlkörper aus Keramik zum Einsatz. Die ZR120 erreichte im Test kleinere Partikelgrößen mit einem geringeren Energieaufwand.

E cav 201