Energieübertragung, Scale-up und Verschleißverhalten von nassbetriebenen Rührwerkskugelmühlen
In vielen Wertschöpfungsketten spielt die Zerkleinerung von Materialien eine entschei-dende Rolle. Hierbei wird die Nasszerkleinerung in Rührwerksmühlen seit den 1970er Jahren zunehmend in industriellen Prozessen zur (Ultra-) Feinstzerkleinerung, initial bei der Mineralienverarbeitung und anschließend in der chemischen oder pharmazeu-tischen Industrie sowie mittlerweile im Recyclingsektor eingesetzt. Besonders der Ein-fluss verschiedener Prozessparameter, aber auch die Verwendung und Verarbeitung von herausfordernden Materialien und Lösemitteln wurde bereits intensiv untersucht. Zusätzlich gibt es verschiedene Modellansätze zur Beschreibung dieser Maschinen. Am Institut für Partikeltechnik (iPAT) sind für die Zerkleinerung mit Rührwerkskugel-mühlen zwei grundlegende, mechanistische Modelle entwickelt worden: das Bean-spruchungsmodell von Kwade und das darauf aufbauende, erweiterte Beanspru-chungsmodell von Breitung-Faes, welche die Grundlage dieser Arbeit bilden. Neben einem durchsatzoptimierten Betrieb rückt ein energetisch effizienter Betrieb in den Fo-kus von Forschung und Industrie. Motiviert durch die energetische Optimierung von Rührwerkskugelmühlen wird im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss verschiedener Mühlengeometrien, Mühlenanordnungen sowie der eingesetzten Materialien, aus wel-chen der Mahlraum und das Rührwerk bestehen, auf die Energieübertragung in Rühr-werksmühlen untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass die Reibung der Mahlkörper an den Mühlen-Materialien und die damit einhergehenden Geschwindigkeitsverluste sowie die zu einer erneuten Beschleunigung notwendige Motorleistung für den müh-lenbezogenen Energieübertragungskoeffizienten ausschlaggebend sind. Die ermittel-ten mühlenbezogenen Energieübertragungskoeffizienten wurden anschließend für eine mechanistische Ergebnisvorhersage unter Verwendung des erweiterten Bean-spruchungsmodells verwendet, wobei die resultierenden Ergebnisse anhand von ex-perimentellen Versuchsdaten validiert wurden. Hierbei wurde Zerkleinerungsergeb-nisse zum einen auf eine ähnlich große Mühle mit anderen Mühlenequipment-Materi-alien und zum anderen eine größere Mühle rechnerisch übertragen. Anhand der be-rechneten und gemessenen Zerkleinerungsverläufe wurde deutlich, dass präzisere Vorhersagen im Vergleich zu den bisherigen Berechnungen möglich und somit indivi-duelle Energieübertragungskoeffizienten einzelner Mühlen zielführend sind. Zusätzlich werden über Zerkleinerungsversuche und eine Rückrechnung über das erweiterte Be-anspruchungsmodell physikalische Materialdaten für ein Mehrkomponentenmaterial ermittelt. Hierbei liegen die berechneten Werte in ähnlichen Größenordnungen wie jene, welche in der Literatur zu finden sind. Neben den energetischen Kosten bilden Wartungs- und Instandhaltungskosten beim Betrieb von Rührwerksmühlen einen gro-ßen Kostenfaktor. Aufgrund dessen wurden im Rahmen dieser Arbeit zusätzlich Be-triebsparameter untersucht, welche einen Einfluss auf den Verschleiß des Rührwerks haben. Es wird deutlich, dass die Betriebsparameter und die daraus resultierende Be-anspruchungsenergie sowie die axiale Mahlkörperverteilung, welche zum Teil wiede-rum von den Betriebsparametern abhängt, einen erheblichen Einfluss auf den Rühr-werksverschleiß haben. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurde ein Modell abge-leitet.
The comminution of materials is crucial in many value chains. Since the 1970s, wet comminution in stirred media mills has been increasingly used in industrial processes for (ultra) fine comminution, initially in mineral processing and subsequently in the chemical or pharmaceutical industry as well as nowadays in the recycling sector. The influence of various process parameters but also the use and processing of challenging materials and solvents has already been intensively investigated. There are various model approaches describing stirred media mills. At the Institute for Particle Technol-ogy (iPAT), two basic mechanistic models have been developed for comminution with stirred media mills: the stress model according to Kwade and the extended stress model according to Breitung-Faes which are the basis of this work. In addition to throughput-optimized operation, an energy-efficient operation is shifting into the focus of research and industry. Motivated by the energetic optimization of stirred media mills, the influence of different mill geometries, mill arrangements and materials of which the grinding chamber and the stirrer are investigated in this thesis. It was found that the friction of the grinding media versus the mill material and the associated speed losses as well as the engine power required for re-acceleration are decisive for the mill-related energy transfer coefficient. The determined mill-related energy transfer coefficients were then used to predict results using the extended stress model. Further, the result-ing outcomes were validated using experimental test data. For this purpose, commi-nution results were transferred by mechanistic calculations on the one hand to a simi-larly sized mill with different mill materials and on the other hand to a larger mill. Based on the calculated and measured comminution curves, it became clear that more pre-cise predictions are possible in comparison to the previous calculations, indicating that individual energy transfer coefficients of different mills are therefore appropriate. In addition, physical material data for a multi-component material is determined via com-minution experiments and a back calculation using the extended stress model. The calculated values are similar to those found in the literature. In addition to the energy costs, maintenance and repair costs are a major cost factor during the operation of stirred media mills. For this reason, additional operating parameters that have an influ-ence on the wear of the stirrer were investigated as part of this work. It becomes clear that the operating parameters and the resulting stress energy as well as the axial grind-ing media distribution, which in turn depends in part on the operating parameters, have a significant influence on stirrer wear. A model was derived from the knowledge gained.
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