Mechanische Verfahrenstechnik - Pa · PDF fileMVT_e_2neu Mechanische Verfahrenstechnik -...

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  • MVT_e_2neu Mechanische Verfahrenstechnik - Partikeltechnologie Zerkleinerung Prof. Dr. J. Tomas, 29.10.2015

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    2 Zerkleinerung 61

    2.1 Bruchvorgnge und Mikroprozesse des Zerkleinerns .................... 62 2.1.1 Materialverhalten und Bruchvorgnge ................................... 63

    2.1.1.1 Bindungsarten und Materialverhalten ............................. 63 2.1.1.2 Ausbreitung von Dichtestrungen bzw. Schallwellen .... 72 2.1.1.3 Rissbildung, Rissausbreitung und Bruchvorgnge .......... 74 2.1.1.4 Energiebilanz der Rissausbreitung & Zerkleinerungsgrenze ......................................................................................... 77

    2.1.2 Mikroprozesse des Zerkleinerns ............................................. 81 2.1.2.1 Beanspruchungsarten ....................................................... 81 2.1.2.2 Einzelpartikelbeanspruchung .......................................... 84 2.1.2.3 Bruchstckgrenverteilung ........................................... 89 2.1.2.4 Partikelschichtbeanspruchung ......................................... 92

    2.1.3 Mechanische Aktivierung und Mechanochemie .................... 95 2.2 Parameter der Makroprozesse in Zerkleinerungsmaschinen .......... 96 2.3 Technische Zerkleinerungsarbeit und Zerkleinerungsgesetze ....... 99

    2.3.1 Wirkungsgrad eines technischen Zerkleinerungsprozesses .... 99 2.3.2 Produktfeinheit = f(Zerkleinerungsarbeit) ............................ 101 2.3.3 Abschtzung des zeitlichen Zerkleinerungsfortschrittes ...... 104

    2.4 Bilanzmodelle von Zerkleinerungsprozessen .............................. 104 2.5 Bewertung des Prozesserfolges der Zerkleinerung ...................... 111 2.6 Zerkleinerungsmaschinen ............................................................ 113

    2.6.1 Backen- und Kegelbrecher.................................................... 114 2.6.2 Walzenbrecher und mhlen ................................................ 117 2.6.3 Prallbrecher und Prallmhlen ............................................... 121 2.6.4 Hammerbrecher und Hammermhlen .................................. 127 2.6.5 Wlzmhlen .......................................................................... 129 2.6.6 Trommelmhlen ................................................................... 131 2.6.7 Planetenmhlen .................................................................... 138 2.6.8 Schwingmhlen .................................................................... 138 2.6.9 Strahlmhlen ......................................................................... 140 2.6.10 Scheibenmhlen.................................................................... 141 2.6.11 Rhrwerksmhlen ................................................................. 141 2.6.12 Scheren und Schneidmhlen ................................................ 142 2.6.13 Sonstige Maschinen zur mechanischen Zerkleinerung ......... 143

    2.7 Thermische Zerkleinerung ........................................................... 144 2.8 Versprhen ................................................................................... 146 2.9 Schwerpunkte und Kompetenzen ................................................ 146

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    2 Zerkleinerung Gliederung (Folie 2.1) und geschichtliche Einleitung, siehe Folie 2.2. Durch Zerteilen wird der Dispersittszustand fester oder flssiger Stoffe in-folge berwindens der Bindekrfte in den Ausgangsteilchen derart verndert, dass kleinere Partikeln entstehen. Hierzu ist vor allem das Zerkleinern festdisperser Systeme zu zhlen. Bei fluiden Systemen, deren disperse Partikeln Tropfen oder Blasen sind, beste-hen zwischen Zerteil- und Mischprozessen flieende bergnge. So schliet z.B. Emulgieren sowohl das Zerkleinern der dispersen Phase als auch das Mischen des Systems ein, und die Qualitt einer Emulsion hngt von deren Dispersittszustand und Mischungszustand ab. hnliches gilt fr andere flui-de Systeme. Im Rahmen dieser Vorlesung wird nur das Zerkleinern behan-delt. Der Dispersittszustand eines Partikelkollektivs bestimmt dessen Eigenschaf-ten und Verhalten in vielerlei Hinsicht (z.B. Lslichkeit und Lseverhalten, Fluidisierbarkeit und Flieverhalten, Agglomerationsverhalten, Flssigkeits-bindevermgen, Farbe u.a.). Deshalb spielen Zerkleinerungsprozesse in vie-len Industriebereichen eine wichtige Rolle (Baustoffindustrie, Bergbau, che-mische Industrie, Lebensmittelindustrie u.a.). Die volkswirtschaftliche Bedeutung der Zerkleinerung geht u.a. daraus her-vor, dass man in Industrielndern berschlglich davon ausgehen kann, dass etwa 4 % der Elektroenergieerzeugung fr Zerkleinerungsprozesse aufge-wendet und etwa 1 % der Industrieproduktion durch diese hervorgebracht werden /7.1./. Das Prozessziel hngt von den nachfolgenden Prozessen bzw. Verfahrens-stufen oder vom Verwendungszweck der Zerkleinerungsprodukte ab. In die-ser Hinsicht lassen sich das

    Zerkleinern von Festkrpern und das Dispergieren von Agglomeraten (MVT_e_7neu.doc#Agglomerat_-

    Einzelkornbeanspruchung) unterscheiden /7.2./, siehe Folie 2.3: 1) Anstreben gnstiger Partikelgren- oder Partikelformverteilungen:

    Hufig ist die Partikelgrenverteilung wesentliches Qualittsmerkmal der Zerkleinerungsprodukte (z.B. Primrbaustoffe, Dngemittel, Pigmente). Das betrifft z.B.

    - Verbesserung des Flie-, Frder- u- Transportverhaltens, - Verbesserung technologischer Prozessparameter u. Verarbeitungsei--

    genschaften (z.B. Streichfhigkeit u..).

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    Auch gewissen Partikelformansprchen kann manchmal durch geeignete Prozesswahl und -fhrung entsprochen werden, z.B. Erzeugung einer ku-bischen Kornform zur Erhhung der Scherfestigkeit von Aufschttungen, wie Halden und Dmmen.

    2) Oberflchenvergrerung: Eine unmittelbare Folge jedes Zerkleinerungsvorganges ist die Vergre-rung der Oberflche. Nicht selten ist jedoch die spezifische Oberflche ei-ne wesentliche Produkteigenschaft. Das gilt z.B., wenn die Zerkleine-rungsprodukte nachfolgenden thermischen oder chemischen Prozessen un-terworfen werden. Dann hngt die Kinetik dieser Prozesse wesentlich von der spezifischen Oberflche der festdispersen Phase ab (z.B. Sinter- und Schmelzprozesse, Lsen und Laugen, Abbindeprozesse).

    3) Aufschlieen der Wertstoffe: Darunter ist das weitgehende Freilegen von Wertstoffphasen aus ihren Verwachsungen bzw. Verbindungen mit anderen Phasen zu verstehen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung fr die Anwendung von Sortierpro-zessen bei der Aufbereitung von Abfllen oder Rohstoffen.

    4) Strukturnderungen und chemische Reaktionen: Dieses Arbeitsgebiet der Zerkleinerungstechnik hat in neuerer Zeit eine

    gewisse Bedeutung erlangt. Hierzu zhlen die mechanische Aktivierung und die mechanochemischen Reaktionen.

    Die technische Zerkleinerung erfolgt berwiegend in Zerkleinerungsmaschi-nen und damit durch die den Partikeln von auen aufgeprgten mechanischen Beanspruchungen. Obwohl die thermische Zerkleinerung technisch nahezu bedeutungslos ist, werden Effekte, die mit einer thermischen Vorbehand-lung des Zerkleinerungsgutes zusammenhngen (z.B. Versprden durch Ab-khlen von verschiedenen Metallschrotten oder von Kunststoffen) - wenn auch selten - technisch genutzt.

    2.1 Bruchvorgnge und Mikroprozesse des Zerkleinerns Die Zerkleinerung fester Stoffe spielt in vielen Industriebranchen eine wich-tige Rolle

    Aufbereitung mineralischer Rohstoffe und fester Abflle (svw. Wert-stoffrckgewinnung und -recycling),

    Baustoffindustrie, chemische und pharmazeutische Industrie, Aufbereitung nachwachsender Rohstoffe (Land- und Forsttechnik) Lebensmittelindustrie u.a.m.

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    Sie hat das Zerteilen von Ausgangspartikeln in kleinere Teilstcke zum Ziel. Dies erfordert die berwindung der Bindekrfte im Inneren dieser Partikeln (auf den Bruchflchen). Die wissenschaftlichen Grundlagen der Zerkleine-rungstechnik sind in den letzten Jahrzehnten wesentlich erweitert worden. Dies betrifft insbesondere die Aufklrung der Bruchvorgnge sowie die Modellierung der Mikroprozesse des Zerkleinerns, siehe Abschnitt 2.1.2.

    2.1.1 Materialverhalten und Bruchvorgnge Soll ein Festkrper zerteilt werden, so sind durch Einwirken von Spannungen die Bindungskrfte zwischen den atomaren Teilchen zu berwinden. Dies geschieht im Allgemeinen mit Hilfe uerer Krfte, die bei der mechanischen Zerkleinerung an den Kontaktstellen (d.h. Kontakte mit den Arbeitsflchen der Maschine oder benachbarten Partikeln) eingeleitet werden und die Parti-keln verformen. 2.1.1.1 Bindungsarten und Materialverhalten Soll ein Festkrper zerteilt werden, so sind durch Einwirkung von Spannun-gen die Bindungen zwischen den atomaren Bausteine zu berwinden. In Anbetracht der eigenschaftsbestimmenden Struktur der Elektronenhl-len der Atome lassen sich unter Nutzung der quantenmechanischen Modell-vorstellungen letztlich alle Bindungspotentiale und -krfte (COULOMB-Krfte) auf ihren elektrostatischen Ursprung zurckfhren:

    - starken Hauptvalenzbindungen (Folien 2.4, 2.5, 2.6 und 2.7)

    a) homopolare (= kovalente Bindung): Bildung gemeinsamer Elektronenpaare der Partner, berlappung von Atomorbitalen (Moleklorbitalmodelle), anisotrop gerichtet mit rum-licher Vorzugsrichtung, z.B. Hartstoffe (Karbide, Nitride), Atom-kristalle: nichtmetallische Kristalle aus einer einzigen Atomsorte, z.B. Diamant (C), Si, P, As, S,

    b) heteropolare (= Ionenbindung): Valenzelektronen werden von einem Atom abgegeben und vom ande-ren aufgenommen, ungerichtete elektrostatische (COULOMB-) A