Zerkleinerungstechnik bei der Ruß-Herstellung

Bis an die Grenze des mechanisch Machbaren

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Carbon Black, gezielt hergestellter Industrieruß, steckt in Autoreifen ebenso wie in Kunststoffen oder anderen chemietechnischen Produkten. So vielfältig wie die Einsatzbereiche sind die Anforderungen an den exakten Qualitätsgrad dieses chemischen Grundstoffs. Die jeweilige Spezifikation wird dabei im Produktionsprozess wesentlich durch die Zerkleinerungstechnik bestimmt.

Wenn leistungsfähige Autoreifen heute weitgehend widerstandsfähig gegen Abrieb, UV-Strahlen und Hitze sind, liegt das nicht zuletzt an einem wichtigen Industriegrundstoff: Carbon Black. Dieser gezielt hergestellte Industrieruß verbessert auch die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen und prägt die charakteristischen Eigenschaften vieler anderer Chemieprodukte. Die Voraussetzung dafür bilden genau definierte Qualitätsgrade und teilweise höchste Endreinheiten.

Damit aus Kohlenwasserstoffen ein solcher Hochleistungswerkstoff mit exakt reproduzierbaren und international normierten Merkmalen werden kann, sind aufwendige Herstellungsprozesse erforderlich. Im Wesentlichen lassen sich dabei zwei grundsätzliche Verfahren unterscheiden: unvollständige Verbrennung und Pyrolyse. Für beide gilt, dass sich Qualität und Zielfeinheit des Endproduktes exakt steuern lassen müssen. Und bei beiden Verfahrensweisen spielt die eingesetzte Zerkleinerungstechnik in diesem Zusammenhang eine zentrale Rolle. Da es sich bei unvollständiger Verbrennung und Pyrolyse um grundsätzlich unterschiedliche Prozesse handelt, sind auch jeweils eigene verfahrenstechnische Lösungen gefragt. Hosokawa Alpine bietet beide Lösungen an.

Unvollständige Verbrennung

Wie es die deutsche Bezeichnung Industrieruß nahelegt, handelt es sich bei Carbon Black um Ruß und damit um unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe. Die unvollständige Verbrennung zum Beispiel von Schwer- oder Leichtöl ist damit das klassische Herstellungsverfahren. Angestrebt wird dabei in der Regel sehr reines Carbon Black, etwa als Füllstoff für hochqualitative Gummiprodukte. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Rußpartikel nach dem Verbrennungsvorgang zunächst über eine Filterabscheidung ausgetragen. Allerdings enthält der Ruß an diesem Punkt noch zahlreiche gröbere Verunreinigungen. Diese sogenannten Grits müssen eliminiert werden. Deshalb werden die Partikel im weiteren Prozess inline über eine Mahlstufe gefahren oder über eine Sichtstufe abgetrennt.

Herkömmlicherweise kamen dabei schnelllaufende Hammermühlen zum Einsatz. Diese Mahltechnik hat allerdings einen entscheidenden Nachteil: Sie erlaubt nur vergleichsweise grobe Reinheiten bis zu einem Grit-Level von etwa 60 bis 70 ppm. Um die heute geforderten höheren Qualitäten zu gewährleisten, sind deshalb Sichtermühlen wie die von Hosokawa speziell für Carbon-Black-Anwendungen entwickelte E-ACM die deutlich bessere Lösung. Die Maschine, die in verschiedenen Baugrößen von 10 HP bis 300 HP verfügbar ist, ermöglicht ein Grit-Level von nur 2 bis 5 ppm bei einer Mahlfeinheit von 45 μ (325 Mesh) und erreicht damit die Grenzen des mechanisch Machbaren. Die Korngrößen sind variabel wählbar.

Die Zerkleinerung erfolgt in der E-ACM durch die Beschleunigung des Mahlgutes durch die rotierenden Mahlwerkzeuge auf das feststehende Prallfutter. Als Besonderheit verfügt die E-ACM über ein spezielles Rotorkonzept, bei der die Mahlzone verlängert und die Mahleffizienz verbessert wird.

Die vom nachgeschalteten Ventilator durch die Mühle gesaugte Prozessluft, die zur Kühlung, zum Transport und als Sichtluft dient, erfasst das Mahlgut und führt es in die Sichterzone im oberen Teil der Maschine. Dort arbeitet ein separat angetriebenes dynamisches Sichterrad. Die Zentrifugalkraft des rotierenden Rades und die entgegengesetzte Schleppkraft der Luft sorgen zusammen mit der unterschiedlichen Masse der Partikel für eine mechanische Trennung in Grob- und Feingut. Das Grobgut wird vom Sichterrad abgewiesen und gezielt in die Mahlzone zurückgeführt und erneut beansprucht. Das Feingut passiert das Sichterrad und tritt aus der Sichtermühle aus. Die Trenngrenze wird über die Drehzahl des Sichterrades eingestellt und lässt sich auch während des Mahlbetriebs stufenlos regulieren. Ein Vorteil dieses kombinierten Mahl- und Sichtmahlverfahrens besteht darin, dass keinerlei Material verloren geht.

Gegenstrahltechnik bei der Pyrolyse

Ganz andere Anforderungen an die eingesetzte Zerkleinerungstechnik stellt die Gewinnung von Carbon Black durch Pyrolyse. Bei dieser relativ neuen Technologie geht es darum, die in Altreifen enthaltenen Rohstoffe durch Recycling zurückzugewinnen. Dafür werden bei Temperaturen von mehreren 100 °C unter Sauerstoffausschluss organische Verbindungen aus dem vulkanisierten Gummigranulat herausgelöst. Neben Öl
und reinen Gasen bleibt nach der Pyrolyse auch Carbon Black zurück. Allerdings ist
der Anteil an Ascheresten in dieser Zwischenstufe noch deutlich höher als nach
der unvollständigen Verbrennung. Außerdem ist das Produkt härter. Entsprechend ist die Veredelung durch Mahltechnik bei diesem Verfahren aufwendiger und auch energieintensiver.

Mechanische Mahlwerkzeuge sind mit dieser Aufgabe überfordert. Deshalb empfiehlt sich für diesen Anwendungsfall eine Gegenstrahlmühle wie das Modell TDG. Bei der Strahlmahlung wird heiße Luft unter relativ niedrigem Druck (3 bis 4 bar) über drei bis vier ringförmig angeordnete Spezialdüsen in den Mahlraum eingebracht, die sich durch ein besonders energieeffizientes Design auszeichnen. Die so erzeugten Hochenergiestrahlen beschleunigen die Partikel zum auf einen Brennpunkt im Zentrum des Mahlbehälters, wo die zu vermahlenden Partikel mit höchster Geschwindigkeit aufeinanderprallen. Die Zerkleinerung erfolgt ausschließlich durch Partikel-Partikel-Kollisionen innerhalb der Gasstrahlen.

Da sich keine Maschinenbauteile in der Mahlzone befinden, wird sowohl ein Maschinenverschleiß wie auch eine Kontamination des Mahlguts vermieden. Damit eignet sich das Verfahren insbesondere auch für harte Partikel und hohe Reinheiten, wie sie bei Carbon Black charakteristisch sind. Auch bei der TDG ist ein Sichter integriert. Er ist beidseitig gelagert, was sehr hohe Drehzahlen und damit sehr hohe Feinheiten bei gleichzeitig vermindertem Druckverlust ermöglicht.

Anlagen zur Veredelung von Carbon Black aus Pyrolyse-Prozessen werden in der Regel als Komplettanlage mit vorgeschalteter Dosierung, Strahlmühle, Filter und Gebläse konzipiert. Ein Grund dafür ist die Komplexität des Prozesses, ein anderer die Sicherheit. Denn diese explosionsgefährdete Anwendung verlangt eine spezielle Ex-Sicherheitstechnik sowie eine Sonderausführung. Die Gegenstrahlmühle TDG ist auf diese besonderen Anforderungen ausgelegt.

Hosokawa Alpine

Halle 4A, Stand 233

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