1. Grundlagen der Schüttgutzerkleinerung

Zerkleinerung ist der Vorgang der Partikelgrößenreduzierung durch mechanische Einwirkung. Dabei werden die Partikel einer Spannung ausgesetzt, wodurch Risse entstehen und die Partikel schließlich in kleinere Teile zerbrochen werden.

Die mechanische Einwirkung zur Zerkleinerung der Partikel und Reduzierung der Größe kann vielfältig sein; es existieren verschiedene Mühlentypen, die unterschiedliche Zerkleinerungsprinzipien nutzen.

Typische Zerkleinerungsprinzipien sind folgende:

• Verwendung von 2 festen Oberflächen: Das Gut wird zwischen zwei feste Oberflächen gepresst oder durch Reibung zerkleinert.
• Verwendung einer einzelnen festen Oberfläche: Das Gut wird gegen eine feste Oberfläche geschleudert.
• Das Gut wird geschnitten – Scherkräfte oder Druckwellen werden zur Zerkleinerung der Partikel eingesetzt.

Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Zerkleinerung entweder in trockener Phase oder in nasser Phase erfolgen kann; die verwendeten Anlagen unterscheiden sich dabei.

Die Dimensionierung von Zerkleinerungsprozessen basiert hauptsächlich auf Erfahrungswerten und Referenzen bestehender Anlagen. Es wird dringend empfohlen, auf das Know-how der Lieferanten zurückzugreifen und Tests durchzuführen. Einige Modelle versuchen, den Energieverbrauch der Partikelgrößenverteilung (PSD) vorherzusagen, die sich in der industriellen Praxis jedoch als wenig brauchbar erwiesen haben. Ein zu beachtender Punkt ist, dass Zerkleinerungsprozesse viel Energie erfordern, jedoch nur 1–2 % davon tatsächlich für die Größenreduzierung genutzt werden,der Großteil geht durch Reibung und Erwärmung in der Mühle verloren. Daher sollte die Energieeffizienz im Fokus stehen, um die Produktionskosten zu optimieren.

2. Gängige Pulverzerkleinerungsanlagen

Wie viele Mühlentypen gibt es?

Die folgende Tabelle listet die wichtigsten Zerkleinerungsanlagen auf, die in der Prozessindustrie eingesetzt werden.

Tabelle 1: Mahltechnologien

Mühlengruppe	Mühlentypen	Prinzipien
Walzenmühlen	Walzenstuhl-Mühlen Einstufig oder mehrstufig Hochdruck-Walzenmühle	Die Mühlen sind mit 2 gegenläufig rotierenden Walzen ausgestattet. Das Produkt wird zwischen die beiden Walzen eingeführt. Beim Durchlaufen des Walzenspalts wird das Produkt Kompressions- und Scherkräften ausgesetzt, wodurch die Partikelgröße reduziert wird. Um den Prozess effizienter zu gestalten, können mehrere Walzenpaare in Reihe mit abnehmendem Spalt installiert werden. Zudem können die Walzen Rillen aufweisen, die durch "Eingreifen" in das Produkt die Zerkleinerung verbessern. Zur Steigerung der Effizienz sind einige Walzenmühlen mit einem System ausgestattet, das einen hohen Druck (10–50 bar) zwischen den Walzen garantiert. Diese Mühlen müssen zudem über ein Federsystem verfügen, das bei Überlast (z. B. durchFremdkörper ) den Druck abbauen kann, um mechanische Schäden zu vermeiden.
Prallmühlen	Hammermühlen Stiftmühlen Universalzerkleinerer	Die Zerkleinerung erfolgt hier durch das Aufprallen des Produkts auf eine feste Oberfläche, die aus verschiedenen, mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Schlagwerkzeugen besteht. Eine Stiftmühle verfügt über eine statische Scheibe mit mehreren Stiften und eine bewegliche Scheibe, ebenfalls mit Stiften bestückt. Wenn das Produkt durch das System gezwängt wird, prallt es auf die Stifte, wird zerkleinert und seine Größe reduziert. Eine Hammermühle ist mit einer einfachen rotierenden Scheibe ausgestattet, die mit zahlreichen Schlagleisten bestückt ist. Diese schleudern das Produkt gegen das Mühlengehäuse. Ein Mahlsieb kann eingebaut werden, um den Zerkleinerungsprozess zu verbessern und die Partikelgrößenverteilung (PSD) weiter zu optimieren. Hochgeschwindigkeits-Hammermühlen (Spitzengeschwindigkeiten von 40 bis 70 m/s) können Partikelgrößen unter 0,1 mm erreichen. Ein Universalzerkleinerer ist eine Weiterentwicklung der Hammermühle mit komplexeren Schlagwerkzeugen sowie Mahlbahnen und Sieben. Die Spitzengeschwindigkeiten liegen zwischen 40 und 100 m/s.
Prallmühlen	Strahlmühlen	Strahlmühlen erreichen die Zerkleinerung, indem das Produkt beschleunigt und entweder gegen ein feststehendes Ziel oder gegen einen anderen Strom beschleunigter Partikel geschleudert wird. Hierfür müssen Geschwindigkeiten von bis zu 250 m/s erreicht werden, um den Partikeln genug Energie für den Bruch beim Aufprall zu verleihen. Ein einzelner Durchgang durch die Mühle würde eine sehr breite Partikelgrößenverteilung (PSD) erzeugen. Um die PSD zu verengen, sind Strahlmühlen mit einem Klassierer ausgestattet. Nur Partikel unter einer Zieldimension dürfen die Mühle verlassen; die übrigen werden zurückgeführt.
Mühlen mit Mahlkörpern	Kugelmühlen (trocken)	Kugelmühlen bestehen im Wesentlichen aus einer Trommel, die teilweise mit Mahlkörpern (typischerweise Keramik- oder Stahlkugeln) gefüllt ist. Die Mühle wird mit den Mahlkugeln und dem Produkt befüllt, anschließend wird die Trommel so schnell gedreht, dass die Kugeln frei fallen können. In einigen Anwendungen ist ein Rührwerk vorhanden, das die Kugeln bewegt, während die Trommel selbst nicht rotiert. Beim Fallen oder Rollen der Kugeln prallen diese aufeinander oder üben Scherkräfte auf das Produkt aus. Die Partikel werden zerkleinert, indem sie zwischen zwei Kugeln, zwischen einer Kugel und der Wand oder durch Aufprall auf die Wand beansprucht werden.
Mühlen mit Mahlkörpern	Kugelmühlen (nass)	Kugelmühlen, wie oben beschrieben, eignen sich auch für die Nasszerkleinerung von Feststoffen. Das hier angewandte Design ist hauptsächlich eine Kugelmühle mit Rührwerk, dessen Bewegung die Kugeln in Schwingung versetzt, sodass sie durch Aufprall oder Reibung die zu mahlenden Partikel zerkleinern. Konstruktionen mit lose liegenden Mahlkörpern finden sich vor allem in langen Horizontalmühlen, effizientere Ausführungen nutzen jedoch eine kompakte, vertikale, agitierte **Wirbelschicht** aus Kugeln. Die Verwendung dicht gepackter, agitierter Kugeln ermöglicht eine hohe Energieaufnahme und Zerkleinerung der Partikel auf wenige Dutzend Mikrometer. Um die Kugeln und das Produkt am Ende der Mühle zu trennen, wird ein Gitter mit Lochdurchmessern kleiner als der Kugeldurchmesser eingebaut. Wichtig ist, dass agitierte Kugeln – insbesondere bei dichter Packung in der Mahlkammer – Wärme erzeugen. Diese Mühlen müssen daher gekühlt werden und verfügen oft über einen Doppelmantel.
Nassmühlen	Kolloidmühlen	Kolloidmühlen sind in der Industrie weit verbreitet. Sie lassen sich einfach in kleine Prozesse integrieren, die eine Zerkleinerung von Suspensionen erfordern. Kolloidmühlen zerkleinern das Produkt hauptsächlich durch intensive Scherkräfte, die von einem Hochgeschwindigkeitsrotor erzeugt werden. Der Rotor befindet sich in einem Gehäuse; beim Einbringen des Produkts erzeugt der Rotor eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, die letztlich die Partikel zerkleinert. Das Gehäuse ist mit Öffnungen versehen, durch die das zerkleinerte Produkt austritt.

Zusätzlich muss die Prozessintegration der Mühle entsprechend ihrer Leistung ausgelegt werden: Es kann entweder eine **offene** oder **geschlossene Mahlkreislaufführung** implementiert werden.

Bei der offenen Mahlkreislaufführung durchläuft das Aufgabegut die Mühle nur einmal. Dies eignet sich, wenn die Mühle leistungsfähig genug ist, um die gewünschte Partikelgrößenverteilung (PSD) in einem Durchgang zu erreichen. Dies ergibt den einfachsten Prozess.

Bei der geschlossenen Mahlkreislaufführung muss nach der Mühle ein System zur Trennung von zu großen Partikeln von denen mit der Zieldimension eingebaut werden. Typischerweise handelt es sich um einen Siebprozess, bei dem der Überkorn zurück in die Mühle geführt wird.

3. Auswahl des Mühlentyps

Es ist von entscheidender Bedeutung zu verstehen, welche Leistung eine Mühlentype für welche Art von Feststoffen erzielen kann. Dies ermöglicht es dem Verfahrenstechniker, für neue Prozesse den richtigen Mühlentyp auszuwählen oder sogar Fehlerbehebungen an bestehenden Prozessen durchzuführen.

Die erste Frage betrifft die Phase, in der die Zerkleinerung stattfinden muss. Handelt es sich um eine Nasszerkleinerung, fällt die Wahl hauptsächlich auf eine Rührwerkskugelmühle oder – falls die Zerkleinerung einfach ist und die gewünschte Partikelgrößenreduktion nicht zu groß – auf eine Kolloidmühle.

Tabelle 2: Mit verschiedenen Mahltechnologien erreichbare Partikelgrößen

Erwartete Partikelgrößenverteilung (d50)	Mögliche Mühle
Mittel-grob (10 mm)	Walzenmühle Hammermühle
Mittel-fein (1 mm)	Walzenmühle Hammermühle
Fein (0,1 mm)	Walzenmühle (mehrstufige Ausführung in Betracht ziehen) Hochdruck-Walzenmühle Hochgeschwindigkeits-Hammermühle Hochgeschwindigkeits-Universalmühle Stiftmühle
Superfein (0,025 mm)	Hochgeschwindigkeits-Universalmühle Stiftmühle Strahlmühlen Rührwerkskugelmühlen (Nassmahlung)

Die Art der zu mahlenden Partikel beeinflusst ebenfalls die Wahl der Ausrüstung. Besonders wichtig ist es, die Härte des zu mahlenden Produkts zu verstehen.

In der Literatur wird die Härte manchmal anhand der Mohs’schen Härteskala angegeben, die wie folgt aussieht:

Tabelle 3: Mohs’sche Härteskala

Mohs-Härte	Referenzprodukt
1	Talkum
2	Gips oder Salz
3	Kalzit
4	Fluorit
5	Apatit
6	Feldspat
7	Quarz
8	Topas
9	Korund
10	Diamant

Nach Bestimmung der Härte des zu mahlenden Produkts kann die folgende Tabelle bei der Auswahl einer geeigneten Mühle helfen. Das Ergebnis muss mit der gewünschten Feinheit (gemäß der obigen Tabelle) kombiniert werden.

Tabelle 4: Mühlenauswahl nach Produkt-Härte

Produkthärte	Mögliche Mühle
1–3 (weich)	Walzenmühle Hochdruck-Walzenmühle Hammermühle Hochgeschwindigkeits-Hammermühle Universalmühle Stiftmühle Rührwerkskugelmühle (Nass) Kolloidmühle (Nass)
4–6 (mittelhart)	Walzenmühle Hochdruck-Walzenmühle Universalmühle Rührwerkskugelmühle (Nass)
7–10 (hart)	Hochdruck-Walzenmühle

4. Sicherheit von Mahlsystemen

Die oben genannten Referenzen zu Mühlentypen zeigen, dass die meisten Mühlen mit sehr hohen Geschwindigkeiten betrieben werden. Dadurch entstehen verschiedene erhebliche Risiken für die Prozesssicherheit. Die wichtigsten Risiken sind nachstehend aufgeführt.

Um Brände oder Explosionen zu verhindern oder deren Folgen zu mildern, sind Mahlsysteme oft mit folgenden Ausrüstungen ausgestattet. Dies sind allgemeine, aber dennoch recht umfassende Maßnahmen. Dennoch muss jeder Anlagenbetreiber eine eigene Risikobewertung durchführen, die spezifischen Risiken seiner Anlage identifizieren und entsprechende Maßnahmen ergreifen.

Die folgenden Betrachtungen gelten hauptsächlich für die Trockenzerkleinerung.

VERMEIDUNG VON STAUBEXPLOSIONEN IN MAHLSYSTEMEN

Die Vermeidung von Explosionen in Mühlen besteht hauptsächlich darin, zu verhindern, dass Fremdkörper in die Mühle gelangen, mechanische Probleme zu erkennen und eine Überhitzung des Produkts durch Überfüllung zu detektieren.

Tabelle 5: Explosionsprävention in Mühlen

Präventionsmaßnahme	Ergriffene Maßnahme
Verhindern des Eindringens von Fremdkörpern	Die Produktzufuhr muss über ein Schwingsieb und einen Magneten – in manchen Fällen kann dies ein Metallodetektor
Erkennung mechanischer Probleme	Ein mechanischer Defekt an rotierenden Teilen kann zu Metall-Metall-Kontakt, Funkenbildung oder Überhitzung eines Lagers führen. Einige Mühlen sind mit Schwingungssensoren ausgestattet: Überschreitet die Schwingung einen definierten Grenzwert, wird die Mühle abgeschaltet. Temperatursensoren an Lagern erkennen Überhitzung. Lager müssen zudem gespült werden, um zu verhindern, dass Produkt in diese Bereiche gelangt und sich bis zur Entzündungstemperatur erhitzt.
Vermeidung von Überfüllung	Die Beschickung der Mühle muss präzise gesteuert werden, um Überfüllung zu vermeiden, die zu Erwärmung und Glimmbrand des Produkts führen kann. Die Überwachung von Schwingungen und Stromaufnahme des Motors kann ebenfalls helfen, solche Vorfälle zu erkennen.
Inertisierung	Einige Mühlen werden mit Stickstoff inertisiert, um Explosionsrisiken zu vermeiden.

MINDERUNG DER FOLGEN VON STAUBEXPLOSIONEN IN MAHLSYSTEMEN

Falls die Präventionsmaßnahmen nicht ausreichen und es zu einem Unfall mit anschließender Explosion kommt, können Mahlsysteme durch folgende Vorrichtungen geschützt werden:

Tabelle 6: Minderung von Explosionen in Mühlen

Minderungsmaßnahme	Ergriffene Maßnahme
Explosionsbeständigkeit	Einige Mahlsysteme können so konstruiert werden, dass sie Explosionen standhalten, in der Regel bis zu 10 bar(g). Dies ist eine wirksame Methode, um eine Explosion einzudämmen. Allerdings muss auch der Rest der Anlage entsprechend ausgelegt sein, mit Vorrichtungen, die die Ausbreitung der Explosion stoppen und sie in dem dafür vorgesehenen, druckfesten Bereich halten.
Eindämmung der Explosion	Verschiedene Ausrüstungen können eingesetzt werden, um die Ausbreitung einer Explosion zu verhindern. Ventex-Ventil: ein passives Ventil, das sich bei einer Druckwelle schließt Explosionsgeschützte Sternzellenradschleuse: eine Sternzellenradschleuse mit ausreichend Zellen, um eine Explosion zu stoppen. Die Explosion muss erkannt werden, um die Rotation des Ventils rechtzeitig anzuhalten. Schnellschlussventil: oft in der Rohrleitung positioniert. Diese Ventile können innerhalb weniger Millisekunden nach Erkennung einer Explosion schließen. Auch hier ist ein Explosionsdetektionssensor und eine Sicherheits-SPS erforderlich, um das Ventil rechtzeitig zu schließen.
Druckentlastung	Explosionsklappen können – in der Regel stromabwärts der Mühle – positioniert werden, um den Druck einer Explosion abzubauen und so gefährliche Schäden zu vermeiden. Diese Klappen können auch mit einem Flammendurchschlagsicherungs-System kombiniert werden.
Explosionsunterdrückung	Ein Löschsystem kann zu Beginn einer Explosion ausgelöst werden, um zu verhindern, dass sich die Druckwelle bis zum maximalen Druck aufbaut.

5. Betrieb von Mühlen

Die Hauptaufgabe in einer industriellen Umgebung besteht darin, eine spezifizierte Partikelgrößenverteilung (PSD) bei einem gegebenen Durchsatz zu erreichen. Der Bediener muss daher auf mögliche Änderungen der beobachteten PSD reagieren und die Prozesshebel verstehen. Einige dieser Hebel werden im Folgenden erläutert.

Tabelle 7: Prozessbestimmende Parameter der Mühle

Prozesshebel	Änderung (alle anderen konstant)	Erwartete Wirkung
Durchsatz	Erhöhen	Eine höhere Feststoffzufuhr in die Mühle führt voraussichtlich zu einer Vergrößerung und Verbreiterung der PSD Im Gegensatz dazu kann eine vorübergehende Reduzierung des Durchsatzes eine Möglichkeit sein, zu einer kleineren PSD zurückzukehren
Feuchte des Aufgabeguts	Erhöhen	Ein feuchteres Aufgabegut kann zu einer größeren PSD führen, entweder weil die Partikel schwerer zu brechen sind oder weil es nach dem Bruch zu Agglomerationen des Pulvers kommt
PSD des Aufgabeguts	Erhöhen	Es ist sehr wichtig, die PSD des Aufgabeguts zu kontrollieren. Jede Veränderung wird Auswirkungen auf die PSD des gemahlenen Produkts haben Bei der Nassmahlung mit Rührwerkskugelmühlen kann eine zu große PSD letztlich zu einer Verstopfung am Mühleeinlass führen.
Drehzahl	Erhöhen	Eine Erhöhung der Drehzahl der Mühle führt zu einer Verringerung der PSD, während gleichzeitig mehr Energie aufgenommen wird. Es muss bedacht werden, dass mit zunehmender Drehzahl auch der Verschleiß steigt. Der Verschleiß der Mühle sollte daher überwacht werden, insbesondere bei Kugelmühlen, bei denen ein Teil der Mahlkugeln mit dem Produktstrom ausgetragen wird (die Akzeptanz einer möglichen Kontamination sollte überprüft werden).
Fettgehalt	Erhöhen	Ein fetthaltiges Aufgabegut begünstigt Agglomerationsphänomene, die die PSD vergrößern. Fettige Produkte können auch die Mühle verstopfen, ihre Effizienz verringern oder sogar Sicherheitsprobleme verursachen (Überhitzung).
Temperatur	Erhöhen	Eine höhere Temperatur kann negative Auswirkungen auf den Mahlprozess haben, insbesondere bei Pulvern, die sich durch Temperaturerhöhung erweichen können. Daher muss eine Temperaturkontrolle vorhanden sein.
Mahlkugelgröße	Verringern	Bei Rührwerkskugelmühlen führen kleinere Mahlkugeln zu einer größeren Mahlfläche und damit zu einer kleineren PSD.

Quellen

Industrieerfahrung des Autors
Grundlagen der Partikeltechnologie, Martin Rhodes et al., John Wiley and Sons, 1990