CH647422A5

CH647422A5 - Ruehrwerksmuehle zum zermahlen einer prozessmischung.

Info

Publication number: CH647422A5
Application number: CH5038/80A
Authority: CH
Inventors: Andrew Szegvari
Original assignee: Union Process International
Priority date: 1978-10-31
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1985-01-31
Also published as: GB2057914A; CA1137056A; NL7920155A; WO1980000925A1; JPS55501014A; US4244531A

Description

Die Erfindung betrifft eine Rührwerksmühle zum Zermahlen einer Prozessmischung, mit einem Mahlbehälter, in diesem Behälter eingeschlossenen Mahlkörpern und einem sich in die Mahlkörper hinein erstreckenden drehbar gelagerten Rührer, der eine Welle aufweist, von dem sich Radialelemente wegerstrecken.

Zum Zerkleinern, bzw. Zermahlen von Feststoffpartikeln sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen benutzt worden. Es handelt sich dabei um Kugelmühlen, Rohrmühlen mit Kieselsteinfüllung, Walzenmühlen, Sandmühlen und Rohrmühlen. In diesem Zusammenhang wird zum Stande der Technik auf die US-Patentschriften 975 380, 1 577 052,1 956 293,2 779 752,2 903 191, 3 131 875, 3 298 618, 3 329 348, 3 332 628, 3 337 140, 3 339 869, 3 404 870, 3 432 109, 3 591 349, 3 591 362, 3 601 322 und 3 628 965, die GB-PS 1 038, die CA-PS 911 427 und die DE-PS 667 333 hingewiesen.

Von diesen zuletzt erwähnten Vorrichtungen und Verfahren unterscheiden sich Mahl- bzw. Zerkleinerungsvorrichtungen nach Art der Rührwerkskugelmühlen. In dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung benutzten Zusammenhang umfasst der Begriff Zermahlen bzw. Zerkleinern zusätzlich zu dem eigentlichen Mahlprozess auch Dispersionsund Entflockungsprozesse. Ein zusätzlicher Vorteil der Rührwerkskugelmühle liegt darin, dass sie in der Lage ist, gleichzeitig zwei oder mehrere verschiedene Feststoffe miteinander zu vermischen oder einen oder mehrere partikelförmige Feststoffe in einer Flüssigkeit zu suspendieren.

Bekannte Mahl- bzw. Zerkleinerungsvorrichtungen und die entsprechenden Verfahren, die sich in diesem Zusammenhang als besonders wirksam herausgestellt haben, umfassen die sogenannten Rührwerkskugelmühlen. Derartige Rührwerkskugelmühlen bestehen im allgemeinen aus einem Mahlbehälter mit einem darin befindlichen Bett von Mahlkörpern, die durch an einer rotierenden Welle angebrachte Elemente umgerührt bzw. aufgewirbelt werden. Die Feststoffpartikel werden üblicherweise auf eine Korngrösse im Bereich von 50 bis 0,5 um und in bestimmten Fällen sogar auf noch kleinere Korngrössen zermahlen. Ein wesentlicher Vorteil von Rührwerkskugelmühlen, beispielsweise verglichen mit Schwingmühlen, besteht darin, dass das Zerkleinern bzw. Zermahlen primär zwischen den Mahlkörpern des aufgewirbelten Mahlkörperbettes stattfindet, ohne dass die Mahlbehälterwände darin mit einbezogen sind. Die mechanische Abnutzung der Rührwerkswelle und der Innenwand des Mahlbehälters wird auf diese Weise beträchtlich reduziert. Ein weiterer Vorteil von Rührwerkskugelmühlen besteht darin, dass der Mahlbehälter stationär bleibt, wodurch derartige Mühlen weniger aufwendig sind und auch weniger Platz beanspruchen als Schwingmühlen. Beispiele von Rührwerkskugelmühlen sind in den US-PS'en 2 764 359, 3 008 657, 3 075 710, 3 149 789 und 3 539 117, den GB-PS'en 716 316 und 1 331 662 und den DE-PS'en 1 214 516 und 1233 237 behandelt.

Bei den Rührwerkskugelmühlen handelt es sich im allgemeinen um chargenweise, im Kreislaufbetrieb oder kontinuierlich arbeitende Mühlen. Bei einer chargenweise arbeitenden Mühle der beispielsweise in der US-PS 2 764 359 beschriebenen Art wird eine bestimmte Menge einer Prozessmischung zusammen mit dem Mahlmedium in Form von Mahlkörpern in einen Mahlbehälter gefüllt, und die Mahlkörper werden mittels eines Rührwerkes umgerührt bzw. aufgewirbelt. Die Eigenschaften der Prozessmischung sind als eine allgemeine Regel derart, dass diese Mischung sich wie ein Fluid verhält. Die Prozessmischung enthält im allgemeinen eine Flüssigkeit, die in der Lage ist, die Feststoffpartikel während des Mahlprozesses in Suspension zu halten, wobei der Feststoffanteil in der Suspension 20 bis 50 Volumenprozent und 40 bis 65 Gewichtsprozent beträgt. Die Prozessmischung kann jedoch alternativ auch aus im wesentlichen einer oder mehreren Arten von Feststoffpartikeln bestehen, die zerkleinert bzw. zermahlen werden sollen. Im Fall eines nur Feststoffpartikel enthaltenden Mahlgutes ohne Vorhandensein einer Flüssigkeit enthält die Rührwerkskugelmühle im allgemeinen zwei Rührwerke. Diese Rührwerke haben im wesentlichen parallel zueinander liegende und seitlich versetzte Wellen. Das Mahlkörperbett und die Prozessmischung werden so lange umgerührt, bis die Mischung in dem erforderlichen Umfang zermahlen, dispergiert und/oder entflockt ist. Sobald die Mischung ausreichend zermahlen ist, wird die chargenweise arbeitende Rührwerkskugelmühle angehalten, und das aufbereitete zerkleinerte Material wird entnommen.

Die kontinuierlich arbeitende Rührwerkskugelmühle der beispielsweise in der US-PS 3 149 789 beschriebenen Art ähnelt in gewisser Hinsicht der chargenweise arbeitenden, Mühle, jedoch mit der Ausnahme, dass die kontinuierlich arbeitende Mühle langgestreckter ist und die Prozessmischung dem Mahlbehälter ständig an dem einen Ende zugeführt und am anderen Ende als bereits zerkleinerte Mischung wieder entnommen wird. Die Mischung wird gewöhnlich im Bodenbereich des Mahlbehälters zugeführt und am oberen Ende des Behälters entnommen, wobei während der vertikalen Aufwärtsbewegung der Mischung durch den Mahlbehälter

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die Mischung horizontal derart geschichtet ist, dass die Partikeldichte und Korngrössenverteilung der Mischung in gleichen Höhenstellungen des Mahlbehälters im wesentlichen die gleichen sind.

Bei Rührwerkskugelmühlen mit Kreislaufbetrieb der in der US-PS 3 998 938 beschriebenen Art ähnelt der Mahlbehälter in gewissem Sinn demjenigen der chargenweisen Mühlen, wobei die Prozessmischung während des Mahlprozesses jedoch wiederholt mit hohem Durchsatz durch den Mahlbehälter im Kreislauf geführt wird. Der hohe Durchsatz, der auch als hohe Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet werden kann, führt zusammen mit der Kreislaufführung der Mischung zu einer unerwartet schnellen Zerkleinerung der in der Prozessmischung befindlichen Feststoffpartikel, wobei ein Mahlprodukt mit einer sehr engen Korngrössenverteilung erhalten wird. Die Strömungsgeschwindigkeit wird gewöhnlich auf das Volumen der Rührwerkskugelmühle bezogen gemessen, wobei dieses Volumen definiert ist als die Differenz zwischen dem Volumen des Mahlbehälters und dem von dem Rührwerk zusammen mit den Mahlkörpern eingenommenen Volumen. Das Volumen einer Rührwerkskugelmühle liegt gewöhnlich im Bereich von 35 bis 50% des Gesamtvolumens des Mahlbehälters. Eine typische Strömungsgeschwindigkeit liegt bei mindestens etwa dem 30-fachen und vorzugsweise zwischen dem 50- und 300-fachen Volumen je Stunde.

Es wird angenommen, dass die verbesserte Mahlleistung von chargenweise, kontinuierlich und im Kreislauf arbeitenden Rührwerkskugelmühlen auf der Wirkimg des aufgewirbelten bzw. umgerührten Mahlkörperbettes beruht, und zwar insbesondere auf den Kollisionen zwischen den einzelnen Mahlkörpern. Diese Zusammenstösse wirken auf die Feststoffpartikel innerhalb der Prozessmischung ein, wodurch diese Feststoffpartikel physikalisch aufgeteilt und zerkleinert werden. Es hat weiterhin den Anschein, dass sich in bestimmten Fällen auch die Eigenschaften der Feststoffpartikel ändern. Diese Wirkung des aufgewirbelten Mahlkörperbettes ist verschiedentlich in Verbindung mit der kinetischen Energie der Mahlkörper und dem hauptsächlichen freien Weg zwischen den einzelnen Zusammenstössen der Mahlkörper beschrieben worden. Die in Rührwerkskugelmühlen verwendeten Mahlkörper sind in der Tat im allgemeinen kleiner als die bei anderen Mühlenarten verwendeten Mahlkörper, um die Häufigkeit von Zusammenstössen zwischen den einzelnen Mahlkörpern zu erhöhen und dadurch den Mahleffekt zu verbessern.

Bei Rührwerkskugelmühlen mit Kreislaufführung des Mahlgutes, bei denen eine vertikale Strömung der Prozessmischung wesentlich ist, scheint der zusätzliche Faktor der Strömungsgeschwindigkeit einen weiteren Einfluss auf den Mahlprozess zu haben. In Rührwerkskugelmühlen mit Kreislaufführung des Mahlgutes werden die in der Prozessmischung befindlichen Feststoffpartikel mit einer Geschwindigkeit zerkleinert bzw. zermahlen, die in unerwarteter Weise höher ist als die Mahlgeschwindigkeit, die mit wesentlich grösseren Rührwerkskugelmühlen mit chargenweisem Betrieb erreicht werden kann. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, um so höher ist die Häufigkeit, mit der jedes Volumen der Prozessmischung durch die Rührwerkskugelmühle strömt, und um so schneller ist demzufolge der Mahlprozess. Bei Rührwerkskugelmühlen mit Kreislaufführung des Mahlgutes wird angenommen, dass ein zusätzlicher, das verbesserte Mahlergebnis bestimmender Faktor darin besteht, dass ein sogenannter dynamischer Siebeffekt vorliegt, bei dem das aufgewirbelte Mahlkörperbett wie ein Sieb wirkt, das die Neigung hat, die grösseren bzw. noch weniger zerkleinerten Partikel innerhalb der Mühle festzuhalten, bis sie innerhalb des Mahlkörperbettes zerkleinert bzw.

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zermahlen werden. Demzufolge hat eine Rührwerkskugel- * mühle mit Kreislaufführung des Mahlgutes eine höhere Mahlkapazität als chargenweise oder kontinuierlich arbeitende Rührwerkskugelmühlen vergleichbarer Grösse und Kapazität.

Als zusätzliches Ergebnis, welches offensichtlich auf dem dynamischen Siebeffekt des aufgewirbelten Mahlkörperbettes bei einer Rührwerkskugelmühle mit Kreislaufführung des Mahlgutes basiert, hat es sich als möglich gezeigt, zusätzliche Stoffe intermittierend oder kontinuierlich der Prozessmischung während des Mahlprozesses zuzuführen, um diese zusätzlichen Stoffe innerhalb der Mischung zu dispergieren, derart, dass das zerkleinerte Mahlgut Stoffe und/oder Anteile mit kontrollierter Partikelgrösse und/oder bestimmten chemischen oder physikalischen Eigenschaften aufweist. In vielen Fällen haben sich Rührwerkskugelmühlen der bekannten Art als sehr wirksam beim Zerkleinern bzw. Zermahlen einer Prozessmischung erwiesen, um ein Mahlgut mit Feststoffpartikeln von sehr kleiner Korngrösse und einer im wesentlichen gleichmässigen Korngrössenverteilung zu erhalten. Beispiele von derartigen Prozessmischungen, die auf diese Weise zerkleinert bzw. zermahlen werden, sind fer-romagnetische Materialien, Farbpigmente, Farbstoffpigmente, Wolframkarbid, bestimmte Russarten und transparente Oxide. Bei Rührwerkskugelmühlen der bekannten Art, und zwar unabhängig, ob es sich um chargenweise arbeitende, im Kreislauf oder kontinuierlich arbeitende Mühlen handelt, hat es sich jetzt jedoch herausgestellt, dass dann, wenn keine wesentliche willkürliche Bewegung der Mahlkörper vorhanden ist, auch keine wesentliche Zerkleinerung bzw. Zermahlung des aufzubereitenden Materiales stattfindet. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass dann, wenn nur eine unzureichende Relativbewegung zwischen den Mahlkörpern und dem Rührwerk vorhanden ist, ebenfalls keine wesentliche Zerkleinerung der Feststoffteilchen innerhalb der Prozessmischung stattfindet. Dieser Umstand ist offensichtlich nicht davon abhängig, ob die Prozessmischung eine Suspensionsflüssigkeit enthält, sondern ausschliesslich von dem Ausmass der willkürlichen Bewegung der Mahlkörper und den Fliesseigenschaften der Mischung. Es wird insbesondere angenommen, dass der Zustand einer unzureichenden willkürlichen Bewegung der Mahlkörper in Beziehung steht zu dem kinetischen Zustand des Mahlkörperbettes.

Es wird weiterhin angenommen, dass der Umstand einer unzureichenden Relativbewegung zwischen dem Rührwerk und dem Mahlkörperbett verantwortlich ist für die Neigung der Prozessmischung, zusammen mit dem Rührwerk als ein im wesentlichen fester Körper zu rotieren, und zwar in Abhängigkeit von den Viskositätseigenschaften der Prozessmischung und der Oberflächenreibung im Bereich der Innenwand des Mahlbehälters. Es wird insbesondere angenommen, dass, wenn diese Zustände und Bedingungen einen laminaren Strömungszustand in der Grenzschicht der Prozessmischung erzeugen, eine nicht ausreichende Reibung gegen die Rotation der Mischung vorhanden ist. Die Mischung hat demzufolge die Neigung, als Festkörper zusammen mit dem Rührwerk zu rotieren bzw. umzulaufen, wobei nur eine nicht ausreichende Wechselwirkung zwischen den Mahlkörpern und dem Rührwerk vorhanden ist. Als Grenzschicht wird in diesem Zusammenhang die Schicht der Prozessmischung verstanden, die der Innenwand des Mahlbehälters unmittelbar benachbart ist.

Die Neigung der Mischung, mit dem Rührwerk als Festkörper zu rotieren, hat sich insbesondere bei bestimmten partikelförmigen Materialien als wesentlich herausgestellt, die dazu neigen, als eine einzige amorphe Masse zusammen-zuflocken. Übliche Beispiele, bei denen im wesentlichen keine willkürliche Bewegung der Mahlkörper vorhanden ist,

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oder wobei nur eine unzureichende Relativbewegung zwischen den Mahlkörpern und dem Rührwerk stattfindet, haben sich dort als wesentlich herausgestellt, wo eine Prozessmischung, selbst wenn sie nicht notwendigerweise eine grosse Neigung zum Ausflocken vor Beginn des Mahlprozesses hat, einer Veränderung ihrer Eigenschaften während des Mahlens unterliegt, so dass das Ausmass der Flockenbildung in dem Umfang anwächst, wie die teilweise zermahlene Mischung zusammen mit dem Rührwerk als Festkörper rotiert. Beispielsweise beim Zerkleinern bzw. Zermahlen von Aluminiumpulver in eine feine Aluminiumdispersion, die für die Herstellung von Aluminiumfarbe und entsprechenden Stoffen geeignet ist, zeigen die Aluminiumgranulate eine starke Tendenz zur Flockenbildung, so dass sie dazu neigen, zusammen mit dem Rührwerk als eine einzige Masse umzulaufen bzw. zu rotieren. Ebenfalls Schokolade bzw. Schokoladenmasse zeigt eine ähnliche Tendenz des Ausflockens, insbesondere bei einem hohen Feuchtigkeitsgehalt (beispielsweise in der Grössenordnung von 3 bis 6 Gewichtsprozent).

Es bestand somit ein Bedarf nach einem Verfahren und einem System, um eine ausreichende willkürliche Bewegung der Mahlkörper zu erzeugen, und um der bestimmten Prozessmischungen anhaftenden Neigung entgegenzuwirken, als ein im wesentlichen fester Körper mit dem Rührwerk umzulaufen, d.h. es ging darum, eine ausreichende Relativbewegung zwischen dem Rührwerk und den Mahlkörpern zu gewährleisten, um die zu verarbeitende Prozessmischung in dem erforderlichen Umfang zu zermahlen bzw. zu zerkleinern. In Rohrmühlen, Kugelmühlen und anderen bekannten Mühlen sind zu diesem Zweck verschiedene Auskleidungen und Beschichtungen angewandt worden. Beispiele dafür sind beschrieben in den US-PS'en 3 202 364,2 909 335,1 741 604, 1 307 952, 2 334 256, 639 409, B441 416 und 1 986 103. Keine dieser bisher angewandten Massnahmen hat sich jedoch für die Verwendung in einer Rührwerkskugelmühle in einer solchen Weise als geeignet herausgestellt, dass dadurch entweder eine ausreichende willkürliche Bewegung der Mahlkörper hervorgerufen oder die Rotation der Prozessmischung als Festkörper verhindert hätte werden können, um die Mischung ausreichend zu zermahlen. Ausgehend davon besteht die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte willkürliche Bewegung der Mahlkörper gewährleistet und die eine Rotation der Prozessmischung als ein im wesentlichen fester Körper innerhalb des Mahlbehäl-, ters zu verhindern. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt aufgrund der Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile von Ausführungsfor-men der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Die Figuren zeigen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäs-sen Mahlvorrichtung.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer chargenweise arbeitenden Rührwerkskugelmühle, wobei ein Teil der Mahlbehälterwandung weggebrochen ist.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform einer chargenweise arbeitenden Rührwerkskugelmühle.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Rührwerkskugelmühle. Diese Rührwerkskugelmühle enthält einen Mahlbehälter 10, von dessen Aussenwandung ein Teil weggebrochen ist, um die Innenkonstruktion der Mühle zu zeigen. In der Zeichnung ist der Mahlbehälter als gerader Zylinderbehälter dargestellt; es besteht jedoch auch die Möglichkeit, Mahlbehälter mit anderen geometrischen Formen zu verwenden, beispielsweise einen trichterförmigen Mahlbehälter.

Innerhalb des Mahlbehälters befindet sich ein Rührwerk mit einer drehbar antreibbaren Welle 14. Die Längsachse der Welle 14 fällt bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung mit der Vertikalachse des Mahlbehälters 10 zusammen. Die Welle 14 kann jedoch entsprechend den jeweiligen Anforderungen auch in anderer Weise innerhalb des Mahlbehälters 10 angeordnet sein. Von der Welle 14 des Rührwerks gehen radial gerichtete Rührelemente aus. Es handelt sich dabei vorzugsweise um Rührwerksarme 16, die senkrecht von der Welle 14 abstehen. Die Rührwerksarme 16 haben im wesentlichen die gleiche Länge und sind in vertikaler Richtung in gleichmässigen Abständen an der Welle angebracht. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 haben die Rührwerksarme 16 beispielsweise einen elliptischen Querschnitt, wobei die Hauptachse des Ellipsenquerschnittes in einer Horizontalebene, d.h. senkrecht zur Welle 14, liegt, oder alternativ in einem kleinen Winkel gegenüber der Horizontalebene. Wie es im folgenden noch beschrieben wird, führt eine derartige Querschnittsform der Rührwerksarme bei einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit des Rührwerks zu einer Erhöhung des hydrodynamischen Effektes des Rührwerkes auf die Prozessmischung.

Die in vertikaler Richtung jeweils benachbarten Rührwerksarme sind vorzugsweise jeweils in einem Winkel von 2,5 bis 90° relativ zueinander angeordnet. Der bevorzugte Winkelabstand hängt von den jeweiligen Anwendungsgebieten bzw. Prozessbedingungen ab. Bei Rührwerkskugelmühlen mit chargenweiser Beschickung ist es vorteilhaft, wenn in Längsrichtung benachbarte Arme unter einen Winkel von etwa 2,5° auf der einen Seite und von etwa 60° auf der anderen Seite angeordnet sind. Bei kontinuierlich arbeitenden Rührwerkskugelmühlen liegen die in Längsrichtung benachbarten Rührwerksarme vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45° einerseits und etwa 90° andererseits. Bei Rühr-werksgkugelmühlen mit Kreislaufführung des Mahlgutes liegen die in Längsrichtung benachbarten Arme vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 90° auf beiden Seiten. Bei allen Arten von Rührwerkskugelmühlen dieser Art hat es sich gezeigt, dass die jeweilige Winkelanordnung der Rührwerksarme 16 in vorteilhafter Weise eine Zunahme des hydrodynamischen Effektes des Rührwerkes auf die Prozessmischung bewirkt.

Die in Fig. 1 dargestellte Rührwerksmühle enthält weiterhin eine Vielzahl von Mahlkörpern 18 in Form von beispielsweise Steinen oder Kugeln aus Keramikmaterial oder Metall. Die Mahlkörper 18 sind vorzugsweise kugelförmig und haben gewöhnlich einen Durchmesser von 0,32 bis 1,42 cm, obwohl auch grössere oder kleinere Mahlkörper verwendet werden können, und zwar in Abhängigkeit von der Viskosität der Prozessmischung, der Drehzahl der Welle 14, der Grösse des Mahlbehälters 10 und des Rührwerkes sowie anderer veränderlicher Parameter. Die Mahlkörper 18 haben vorzugsweise einen gleichen Durchmesser und können aus Stahl, Wolframkarbid, Keramikmaterial oder anderem Material bestehen. Die Mahlkörper 18 sind in einer solchen Menge vorhanden, dass dann, wenn das Rührwerk stillsteht und die Mahlkörper 18 sich demzufolge in einem nicht aufgewirbelten Zustand befinden, das Volumen der gesamten Mahlkörpermenge ausreicht, dass mindestens einer der Rührwerksarme von den Mahlkörpern überdeckt ist. Es können auch grössere Mahlkörpermengen vorhanden sein, so dass selbst der oberste Rührwerksarm 16 von Mahlkörpern 18 bedeckt ist, wenn diese bei stillstehendem Rührwerk eine Ruhelage einnehmen. Die bevorzugte Anzahl der in dem Mahlbehälter 10 befindlichen Mahlkörper 18 hängt wiederum von verschiedenen Parametern ab, unter anderem

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der Viskosität der Prozessmischung, der Grösse, Dichte und Form der Mahlkörper selbst und der Drehzahl des Rührwerks. Der vertikale Abstand zwischen in vertikaler Richtung benachbarten Rührwerksarmen entspricht vorzugsweise dem 2- bis 4-fachen Durchmesser der Mahlkörper 18, obwohl auch dieser Abstand entsprechend den jeweiligen Prozessbedingungen und Anwendungsgebieten veränderlich ist.

Die Rührwerkskugelmühle kann weiterhin mindestens eine Prallfläche bzw. Schikane aufweisen, die von der Innenwand des Mahlbehälters 10 radial nach innen bis nahezu an den von den äusseren Enden der umlaufenden Rührwerksarme 16 bestimmten Kreisboden bzw. Radius ragt.

Der Mahlbehälter 10 kann auch zum Zwecke der Temperatursteuerung des Behälterinhaltes mit einem (nicht dargestellten) Wasser- oder Dampfmantel versehen sein. Er weist ausserdem einen Auslass auf, durch den die zerkleinerte Prozessmischung nach Beendigung des Mahlprozesses ausgelassen wird. Der Auslass ist mit einem Sieb oder einem anderen geeigneten Abscheider versehen, um eine Trennung zwischen Mahlkörpern 18 und der zerkleinerten bzw. zermahlenen Prozessmischung zu gewährleisten. Alternativ können die Mahlkörper 18 zusammen mit der zerkleinerten bzw. zermahlenen Prozessmischung aus dem Mahlbehälter 10 herausgefördert und anschliessend davon wieder abgeschieden werden.

Für den Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Rührwerkskugelmühle wird ein bestimmtes Volumen einer Prozessmischung in den Mahlbehälter 10 gefüllt. Die Rührwerkswelle 14 wird dann mit einer ausreichenden Winkelgeschwindigkeit angetrieben, so dass, wenn die Rührwerksarme 16 gegenüber den Mahlkörpern 18 eine ausreichende Geschwindigkeit erreichen, von den Rührwerksarmen 16 den Mahlkörpern 18 eine ausreichende kinetische Energie erteilt wird, um die Mahlkörper 18 aufzuwirbeln bzw. in Bewegung zu versetzen, derart, dass sich das Effektive oder Füllvolumen der Mahlkörper innerhalb des Mahlbehälters 10 erhöht und die Mahlkörper 18 im wesentlichen innerhalb der gesamten Prozessmischung verteilt werden. Die Winkelgeschwindigkeit des Rührwerks liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 400 U/min. Die Bewegung der Mahlkörper 18 lässt sich im allgemeinen als eine Wanderung dieser Mahlkörper in Kreisrichtung beschreiben, die von einer zumindest teilweise zufälligen Bewegung der Mahlkörper derart überlagert wird, dass sie gegeneinanderstossen, etwa analog der anerkannten Theorie, welche die Molekülbewegung in einem idealen Gas beschreibt.

Während des Aufwirbeins bzw. Umrührens des Mahlmediums wirken die einzelnen Mahlkörper 18 kontinuierlich derart zusammen, dass es zu einer Zerkleinerung bzw. einem Zermahlen der Prozessmischung kommt. Die sich willkürlich bewegenden Mahlkörper 18 stossen sowohl gegeneinander als auch gegen die Rührwerksarme 16, so dass es zu einem ständigen Zerkleinerungsprozess kommt. Das Ausmass des Umrührens des Mahlmediums insgesamt bestimmt die Effektivität der Rührwerkskugelmühle beim Zerkleinern bzw. Zermahlen der Prozessmischung bzw. des Prozessgemisches. Die Aktivierung des Mahlmediums hängt von mehreren Faktoren ab, einschliesslich der vertikalen Tiefe des sich im Ruhezustand befindlichen Mahlmediums, des spezifischen Gewichtes und der Viskosität des Gemisches oder der Gemischkomponenten, der Winkelgeschwindigkeit der Rührwerkswelle, der Grösse und geometrischen Form der Mahlkörper, und der anfänglichen Teilchengrösse der in dem Prozessgemisch befindlichen Feststoffe. Diese verschiedenen Parameter stehen weiterhin auch in einer gewissen Wechselwirkung. So ist beispielsweise die bevorzugte vertikale Tiefe des sich im Ruhezustand befindlichen Mahlmediums abhängig von der Grösse der Mahlkörper, der jeweiligen Winkelge647 422

schwindigkeit der Rührwerkswelle, dem Unterschied des spezifischen Gewichtes der Mahlkörper und der Prozessmischung, der Länge der Rührwerksarme und der Grösse des Mahlbehälters.

Die in der Prozessmischung befindlichen Festkörper können relativ hart (beispielsweise Eisenoxid), brüchig bzw. spröde (beispielsweise Kohle) oder weich (beispielsweise Ton od. dgl.) sein. Die anfängliche Teilchengrösse der in der Prozessmischung befindlichen Partikel ist nicht kritisch und kann innerhalb des Bereiches von weniger als 0,5 mm bis mehr als 6,35 mm variieren. Wie bereits zum Ausdruck gebracht, können einige Prozessmischungen aus in einer Flüssigkeit suspendierten Feststoffen und andere Prozessmischungen nur aus Feststoffpartikeln allein bestehen.

Es hat sich gezeigt, dass für bestimmte Prozessmischungen die Disturbanzen, die auf die Grenzschicht der Prozessmischung durch die von der Innenwand des Mahlbehälters 10 ausgehende Oberflächenreibung ausgeübt werden, ausreichen, um eine turbulente Strömung zu erzeugen, wodurch der mittleren bzw. hauptsächlichen Strömungsrichtung innerhalb des Mahlbehälters unregelmässige Bewegungen und Geschwindigkeitswechsel überlagert werden. Auf derartige Prozessmischungen bzw. Prozessgemische wird im Bereich der Innenwand des Mahlbehälters 10 ein Strömungswiderstand ausgeübt, der der Bewegung der Mischung bzw. des Gemisches relativ zur Innenwandfläche entgegenwirkt und durch die Reibung zwischen der Mischung bzw. dem Gemisch und der Mahlbehälterinnenwand hervorgerufen ist. Dieser Strömungswiderstand bzw. diese Gegenkraft ist derart, dass eine wesentliche Relativbewegung zwischen den Rührwerksarmen 16 und den Mahlkörpern 18 entsteht, wodurch ein ausreichendes Umrühren bzw. Aufwirbeln der Mahlkörper 18 zum Zwecke der Zerkleinerung bzw. des Zer-mahlens der Feststoffpartikel innerhalb der Prozessmischung bewirkt wird.

Bestimmte andere Prozessmischungen oder unter bestimmten Bedingungen auch die gleichen Prozessmischungen wie oben beschrieben haben jedoch die Neigung, zusammen mit den Rührwerksarmen 16 mit der Winkelgeschwindigkeit der Rührwerkswelle 14 als eine im wesentlichen feste Masse zu rotieren, so dass im wesentlichen keine Relativbewegung zwischen den Rührwerksarmen und den Mahlkörpern 18 vorhanden ist, was zur Folge hat, dass die Mahlkörper 18 praktisch nicht willkürlich aufgewirbelt und umgerührt werden, wie es für einen Zerkleinerungs- bzw. Mahlprozess erforderlich ist. Beispiele derartiger Stoffe bzw. Materialien sind Graphit, Magnesium, Silber, Calziumcarbonat und Wolframcarbid. Es wird angenommen, dass bei bestimmten Anwendungsgebieten die Rotation der Prozessmischung bzw. des Prozessgemisches als ein Festkörper zusammen mit der Drehbewegung der Rührwerksarme 16 auf einer charakteristischen laminaren Strömungseigenschaft in der Grenzschicht der Prozessmischung im Bereich der Innenwandfläche des Mahlbehälters begründet ist. Offensichtlich bildet sich in der Grenzschicht eine Laminarströmung aus, wobei die Oberflächenreibung zwischen der Innenwand des Mahlbehälters 10 und der Prozessmischung sehr niedrig ist. Unter diesen Bedingungen strömt die Mischung innerhalb der Grenzschicht in konzentrischen Schichten ohne wesentliche Wechselwirkung oder Masseübergängen zwischen benachbarten Schichten, so dass die gesamte Prozessmischung sich wie ein fester Körper verhält, der zusammen mit dem Rührwerk umläuft.

Die relative Winkelstellung zwischen in vertikaler Richtung benachbarten Rührwerksarmen führt dazu, dass in einer radialen Position nahe den äusseren Enden der Rührwerksarme 16 eine nach oben gerichtete Vertikalkraft hervorgerufen wird. Diese Vertikalkraft hat die Neigung, in der

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Mischung eine Aufwärtsströmung zu erzeugen, die an der freien Oberfläche der Mischung radial nach innen, anschliessend im Bereich des Zentrums der Mischung vertikal nach unten und dann im Bereich der Bodenschicht der Mischung radial nach aussen zirkuliert. Die relative Winkelstellung von in vertikaler Richtung benachbarten Rührwerksarmen trägt demzufolge zur Verteilung bzw. Verwirbelung sowohl der Prozessmischung als auch der Mahlkörper 18 innerhalb des gesamten Mahlbehälters 10 bei.

Beim Betrieb der Rührwerksmühle wird die Rührwerkswelle 14 mit einer solchen Drehzahl angetrieben, dass die Rührwerksarme 16 eine Zerkleinerung der in der Prozessmischung vorhandenen Feststoffpartikel bewirken. Bei einer Rührwerksmühle mit Kreislaufführung des Mahlgutes wird die Prozessmischung mit einer extrem hohen Strömungsgeschwindigkeit vertikal durch den Mahlbehälter 10 und durch das aufgewirbelte Mahlkörperbett gepumpt, wodurch sich bestimmte Vorteile hinsichtlich der Zerkleinerungs- bzw. Mahleffizienz ergeben.

Die Rührwerkmühle enthält vorzugsweise weiterhin eine Rückhaltekammer 52, die von dem eigentlichen Mahlbehälter 10 durch das Rückhaltesieb 48 getrennt ist. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Vorhandensein einer derartigen Rückhaltekammer 52 die Rezirkulation der Prozessmischung begünstigt, indem es zu einer gleichmässigen Strömung der Prozessmischung durch das aufgewirbelte Mahlkörperbett kommt. Es hat sich gezeigt, dass die zerkleinerten Partikel mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit durch das Rückhaltesieb 48 strömen, und dass diese Partikel eine im wesentlichen konstante Korngrösse mit enger Korngrössenverteilung haben.

Alternativ zu einer Rührwerksmühle mit Kreislaufführung kann auch eine kontinuierlich arbeitende Rührwerksmühle vorgesehen sein, bei der die Prozessmischung aus einem gesonderten Vorratsbehälter nur ein einziges Mal durch die Rührwerksmühle gefördert wird. Bei einer derartigen kontinuierlich arbeitenden Rührwerksmühle wird die durch das Rückhaltesieb 48 austretende Prozessmischung nicht wieder in den Mahlbehälter 10 zurückgefördert, sondern einem weiteren Speicherbehälter zugeführt.

Sowohl bei einer mit Kreislaufführung des Mahlgutes arbeitenden Rührwerksmühle als auch bei einer kontinuierlich arbeitenden Rührwerksmühle wird die Prozessmischung zusätzlich zu seitlichen bzw. Kreisströmung in einer von aussen her aufgeprägten starken Vertikalströmung durch den Mahlbehälter gefördert.

Bei Rührwerksmühlen mit Kreislaufführung des Mahlgutes tritt bei bestimmten Anwendungsgebieten und/oder unter bestimmten Bedingungen manchmal ein Problem auf, welches darin besteht, dass im Bereich des Rückhaltesiebes 48 eine mehr oder weniger horizontale Schicht aus Prozessmischung und Mahlkörpern 18 eine Druckbarriere bildet. Der durch diese Horizontalschicht entstandene vertikale Druckgradient der Prozessmischung kann beträchtlich hoch sein und z.B. 2,1 kp/cm2 betragen. Unter bestimmten Umständen kann der hydrostatische Druck unterhalb dieser Horizontalschicht bzw. Druckbarriere das Rückhaltesieb 48 von der Oberseite des Mahlbehälters 10 nach oben hin wegdrücken.

Bei den bekannten Rührwerksmühlen mit Kreislaufführung besteht ein weiteres Problem darin, dass die Mahlkörper die Neigung haben, mit dem Rückhaltesieb 48 in Kontakt zu kommen, was der Grund für einen schnellen Abrieb dieses Rückhaltesiebes sein kann. Dieser Abrieb kann dem Vorhandensein der mit grossem hydrostatischen Druck gegen die Unterseite des Rückhaltesiebes 48 anliegenden und eine Druckbarriere bildenden Horizontalschicht zugeschrieben werden, wodurch die in der Horizontalschicht vorhandenen Mahlkörper 18 mit grosser Kraft gegen das Rückhaltesieb 48 gedrückt werden. Durch den Abbau dieser eine Druckbarriere bildenden Horizontalschicht und das sich daraus ergebende Fehlen eines nach oben gerichteten und durch die Mahlkörper in der Horizontalschicht hervorgerufenen hydrostatischen Druckes in dem Kreislaufsystem wird in überraschender Weise der Abrieb des Siebes durch die Mahlkörper beträchtlich reduziert, was in überraschender Weise zu einer verbesserten Haltbarkeit des Rückhaltesiebes 48 führt.

Eine sich auf die Haltbarkeit des Rückhaltesiebes 48 beziehende Verbesserung wird durch direkt unterhalb des Rückhaltesiebes angeordnete Rührwerksarme 54 mit einem elliptischen Querschnitt erreicht, wobei die Hauptachse der Ellipse gegenüber einer senkrecht zur Achse der Welle 14 liegenden geometrischen Ebene schräggestellt ist. Die auf diese Weise abgewandelten Rührwerksarme 54 wirken als Umlenkflächen 55 und haben Stromlinienflächen 56. Die Neigung bzw. Schrägstellung der Rührwerksarme 54 bzw. ihrer Umlenkfläche 55 gegenüber der Horizontalebene ist entgegengesetzt für Rührwerksarme auf gegenüberliegenden Seite der Welle 14. Die Neigungsrichtung der Rührwerksarme 54 hängt von der Drehrichtung der Welle 14 ab, derart, dass die Umlenkflächen 55 dieser Rührwerksarme 54 mit den kreisförmig umlaufenden Mahlkörpern derart zusammenwirken, dass die Mahlkörper 18 in ihrer Bewegung von dem Rückhaltesieb 48 weg nach unten umgelenkt werden. Die Rührwerksarme 54 sind, mit anderen Worten ausgedrückt, derart schräggestellt, dass, wenn sie abwechselnd eine bestimmte Stelle ihrer Umlaufsbahn passieren, sie aufeinanderfolgend Mahlkörper 18 vertikal nach unten zurückschleudern, d.h. weg vom Rückhaltesieb 48.

Die Rührwerksarme 54 verbessern auch den Mahleffekt der Mühle, indem sie die Bildung einer Druckbarrierenschicht unterhalb des Rückhaltesiebes 48 verhindern. Die Rührwerksarme 54 erhöhen auch die Haltbarkeit des Rückhaltesiebes 48, indem sie die Mahlkörper 18 von ihm fernhalten, die ansonsten einen Abrieb am Rückhaltesieb 48 verursachen könnten.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Rührwerksmühle werden die Mahlkörper 18 durch an der Welle 14 befestigte Radialelemente 62 beeinflusst, die einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt und mindestens eine Rückschleuderfläche 66 aufweisen, die gegenüber der Rotationsebene des einzelnen radialen Elementes 62 schräggestellt ist.

Die einzelne Rückschleuderfläche 66 ist derart schräggestellt, dass von ihr während der Rotation des Rührwerks ein Teil der Mahlkörper in das Mahlkörperbett zurückgeschleudert wird, um die willkürliche Bewegung der Mahlkörper zu erhöhen. Die Armabschnitte 64 haben einen ellipsenförmigen Querschnitt, deren Hauptachse zur Rotationsebene der Radialelemente 62 schräg verläuft.

Die Armabschnitte 64 sind vorzugsweise in der Weise wirksam, dass sie die Vertikalströmung der Prozessmischung durch die Rührwerksmühle bzw. das Mahlkörperbett in der Weise beeinflussen, dass der allgemein nach oben gerichteten Strömung eine pulsierende oder oszillierende Bewegung überlagert wird. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 wird dieses mittels Radialelementen 62 erreicht, die an gegenüberliegenden Seiten von der Welle 14 abstehen. Für diesen Fall können die sich gegenüberliegenden Radialelemente aus jeweils einer einzigen ursprünglich kreisförmigen Stange bestehen, deren Enden zu schrägstehenden Armabschnitten 64 umgearbeitet sind, wobei der Mittelabschnitt jedes Armes innerhalb einer durch die Welle 14 gehenden Bohrung befestigt ist. Die Armabschnitte 64 von derartigen diametral liegenden Radialelementen haben elliptische Querschnitte, deren Hauptachsen im wesentlichen in der gleichen Ebene lie5

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gen. Bei laufendem Rührwerk haben somit die jeweiligen Rückschleuderflächen 66 der Armabschnitte 64 die Neigung, die Vertikalströmung der Prozessmischung bei jeder Umdrehung des Rührwerks in im wesentlichen entgegengesetzten Vertikalrichtungen zu beeinflussen. Der Gesamteffekt bei der Rotation auf die Prozessmischung besteht darin, der Vertikalströmung der Prozessmischung eine pulsierende oder oszillierende Bewegung zu überlagern. Der Vorteil dieser überlagerten Oszillationsbewegung besteht darin, dass die willkürliche Bewegung des Mahlkörperbettes einschliesslich des gesamten Mahlgutes erhöht wird, was zu einer Verbesserung des Zerkleinerungs- bzw. Mahleffektes führt.

Die willkürliche Bewegung des Mahlkörperbettes und des Mahlgutes kann weiterhin durch zusätzliche Abwandlungen im Bereich der Radialelemente 62 erhöht werden. Gemäss Fig. 2 haben beispielsweise die Radialelemente 62, die diametral gegenüberliegend an der Welle 14 befestigt sind, unterschiedliche Längen in radialer Richtung. Bei laufendem Rührwerk führt diese Konstruktion dazu, in der oszillierenden Bewegung der Prozessmischung eine Radialkomponente innerhalb des Ringbereiches zwischen den äusserten Enden der jeweiligen Radialelemente zu erzeugen. Um die Entwicklung einer konstanten vertikalen Strömungskomponente der Prozessmischung zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn die schrägliegenden Flächen von in vertikaler Richtung benachbarten Armabschnitten 64 in entgegengesetzter Richtung geneigt sind, und dass die schrägliegenden Rückschleuderflächen 66 der Armabschnitte 64, welche eine vorgegebene Winkelposition an der Welle einnehmen, die gleiche Neigungsrichtung haben. Es ist dementsprechend vorteilhaft, in Längsrichtung der Rührwerkswelle 14 Armabschnitte 64 hintereinander anzubringen, die gegenüber der Rotationsebene des entsprechenden Radialelementes 62 alternierende Neigungen aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels näher beschrieben, ohne dass dadurch der Rahmen der Erfindung eingeschränkt wird.

Beispiel

Kakaomasse mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 3% wurde in eine Rührwerksmühle mit Kreislaufführung eingefüllt. Der Mahlbehälter hatte eine Nominalkapazität von etwa 375 Liter und war mit Mahlkörpern in Form von Koh-lenstoffstahlkugeln mit einem Durchmesser von etwa 4,76 mm gefüllt.

Die Mühle wurde für einen Zeitraum von etwa 50 bis 60 Minuten in Betrieb gesetzt, wobei das Rührwerk mit einer Drehzahl von 130 U/min. umlief und ein elektrischer Strom von etwa 90 Ampere benötigt wurde. Am Ende dieser Mahlzeit waren die Feststoffteilchen der Prozessmischung auf eine Partikelgrösse über etwa 45 um zermahlen.

Die gleiche Rührwerksmühle wurde anschliessend mit einer Drehzahl von 142 U/min. betrieben, wobei ein elektrischer Strom von etwa 80 Ampere benötigt wurde. Es wurde jedoch keine wesentliche Zerkleinerung der Partikel in der Kakaomasse erreicht. Es zeigte sich, dass die auf diese Weise verarbeitete Kakaomasse eine Tendenz zum Wiederausflok-ken hatte. Dieser Umstand zusammen mit der Abnahme des Stromverbrauches trotz erhöhter Rührwerk-Drehzahl führt zum Schluss, dass eine weitere Zerkleinerung der Kakaomasse dadurch verhindert wird, dass sie zusammen mit dem Rührwerk als eine im wesentlichen feste Masse umläuft. Anschliessend wurde eine Prozessmischung aus Kakaomasse mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 3% in einer Rührwerksmühle mit Kreislaufführung zermahlen, die eine Nominalkapazität von etwa 3,7851 (1 US-Gallon) hatte und als Mahlkörper Kohlenstoffstahlkugeln mit einem Durchmesser von etwa 4,76 mm enthielt. Nach einer Mahldauer von etwa 45 Minuten wurde eine Probe der Prozessmischung entnommen. Diese Probe zeigte eine Verringerung der Partikelgrösse der Kakaomasse auf etwa 20 |im. Durch die Benutzung einer erfindungsgemässen Rührwerksmühle wurde somit eine wesentlich grössere Zerkleinerung der Feststoffpartikel der Prozessmischung erreicht, und zwar auch innerhalb eines kürzeren Zeitraumes.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Rührwerksmühle zum Zermahlen einer Prozessmischung, mit einem Mahlbehälter (10), in diesem Behälter eingeschlossenen Mahlkörpern (18) und einem sich in die Mahlkörper (18) hinein erstreckenden drehbar gelagerten Rührer, der eine Welle (14) aufweist, von der sich Radialelemente (62) wegerstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Radialelemente (62) gegenüber der Drehebene geneigte Flächen aufweisen, wobei diese Flächen der Radialelemente (62) an einer gegebenen Winkelposition der Welle (14) eine Neigungsrichtung aufweisen, die entgegengesetzt ist zu den Flächen benachbarter Radialelemente (62), die die gleiche Winkelposition aufweisen.
2. Rührwerksmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialelemente (62) einen elliptischen Querschnitt haben, dessen Hauptachse gegenüber der Drehebene der Radialelemente (62) geneigt ist.
3. Rührwerksmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialelemente (62) sich von gegenüberliegenden Seiten der Rührerwelle (14) wegerstrecken.
4. Rührwerksmühle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialelement (62) an einer Seite der Welle (14) eine kürzere radiale Ausdehnung hat, als das Radialelement (62) an der gegenüberliegenden Seite der Welle (14).
5. Rührwerksmühle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialelement (62) sich durch ein Loch in der Welle (14) hindurch erstreckt.
6. Rührwerksmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialelemente (62), die in Längsrichtung benachbart an der Rührerwelle (14) angeordnet sind, in verschiedenen Winkeln sich von der Rührerwelle wegerstrek-ken.
7. Rührwerksmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung benachbarte Radialelemente mit Bezug auf die Ebene der Drehung eine zueinander entgegengesetzte Neigungsrichtung aufweisen.