Extrusion: Eine Einführung

1. Was ist Extrusion?

Extrusionsverfahren werden in verschiedenen Industrien eingesetzt, insbesondere in der petrochemischen-/Kunststoffindustrie, um Kunststoffe zu compoundieren und Pellets herzustellen, die vom Kunden weiterverarbeitet werden können, oder in der Lebensmittelindustrie, um essbare Stücke verschiedener Formen herzustellen.

Extrusion besteht in der Umwandlung...

Extrusion ist ein sehr effizienter Prozess, da mehrere Grundoperationen in derselben Anlage ablaufen können: Mischen, Erwärmen, Schmelzen, Kochen, chemische Reaktionen, Granulierung usw. Dies macht es jedoch zu einem Prozess, der schwer zu kontrollieren ist, da er viele chemische und physikalische Umwandlungen umfasst.

Ein typischer Extrusionsprozess besteht aus folgenden Schritten:

• Rohmaterialzufuhr: in der Regel Schüttgüter (Pulver oder Pellets)
• Extrusion
• Düse
• Granulierung

Hammermühlen gehören zur Familie der Prallmühlen, was bedeutet, dass der Mahlvorgang durch die Geschwindigkeit erreicht wird, mit der die Partikel durch einen oder mehrere Rotoren beschleunigt und aufprallen.

2. Wie funktioniert eine Hammermühle?

Hammermühlen sind mit einer Welle konstruiert, auf der mehrere "Hämmer" montiert sind, die meist die Form dicker Platten haben. Die Welle rotiert innerhalb eines Gehäuses, und am Auslass der Mühle ist ein Sieb angebracht, dessen Maschenweite bestimmt, welche Partikel fein genug sind, um die Mühle zu verlassen. Die Mühle kann durch Schwerkraft beschickt und entleert werden, wenn sie als Brecher genutzt wird, während die gemahlenen Produkte bei Feinmahlanwendungen direkt pneumatisch gefördert werden können, da die Mühle große Mengen Luft bewegt.

Abbildung 1: Komponenten einer Hammermühle (Schwerkraftentleerung)

2.1 Hämmer

Die Anzahl der Hämmer in einer Mühle variiert je nach gewünschter Feinheit und Mühlenkapazität. Generell gilt: Je höher die Anzahl der Hämmer, desto feiner wird das Produkt, aber auch die Kapazität nimmt ab.

Die Mühle kann je nach Anzahl der auf der Welle montierten Hammerreihen mehr oder weniger breit sein. Jede Hammerreihe ist durch eine Distanzplatte von der nächsten getrennt.

Die Länge der Hämmer kann ebenfalls angepasst werden. Wenn die Hammerlänge erhöht wird und sich die Hämmer dem Sieb nähern, wird das Endprodukt feiner, aber die Kapazität sinkt. Kürzere Hämmer erzeugen ein gröberes Produkt, ermöglichen jedoch eine höhere Kapazität.

2.2 Wellendrehzahl

Der zweite zentrale Konstruktions- und Betriebsaspekt einer Hammermühle ist die Rotationsgeschwindigkeit. Da das Mahlprinzip auf der Aufprallenergie basiert, führt eine höhere Geschwindigkeit zu einem feineren Produkt, da die Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Hämmer, gegeneinander oder gegen das Sieb prallen.

Man muss jedoch darauf achten, die Geschwindigkeit nicht ohne spezifischen Grund oder Vorsicht zu erhöhen, da eine hohe Geschwindigkeit den Energieeintrag, die Temperaturerhöhung und die mechanische Ermüdung der gesamten Mühle verstärkt, was zu erhöhtem Wartungsbedarf führen kann. Sehr hohe Drehzahlen werden für die Feinmahlung weicher Materialien verwendet, während niedrigere Geschwindigkeiten zum Zerkleinern größerer/härterer Produkte eingesetzt werden.

2.3 Siebgröße

Die Siebgröße hilft, die Partikelgröße des gemahlenen Produkts zu kontrollieren, indem verhindert wird, dass zu große Partikel die Mühle verlassen, bevor sie zerkleinert wurden. Eine Verringerung der Siebgröße führt somit zu einer engeren Partikelgrößenverteilung des Endprodukts, geht jedoch auf Kosten der Mühlenkapazität.

2.4 Antrieb

Ein Hammermühlenantrieb muss mit einem Frequenzumrichter ausgestattet sein, um die Drehzahl steuern und somit die Kapazität und die resultierende Feinheit des Materials anpassen zu können.

2.5 Produktzufuhr

Die Zufuhr zur Mühle muss (zumindest grob) durch eine Dosiervorrichtung wie ein Rüttelrohr, einen Schneckenförderer oder eine Zellenradschleuse gesteuert werden. Wenn die Mühle breit ist und mehrere durch Distanzplatten getrennte Hammerreihen aufweist, muss das Zufuhrsystem eine gleichmäßige Verteilung des Materials über die gesamte Mühlenlänge ermöglichen. Da die Mühle viel Luft benötigt, ist auch ein Lufteinlass entscheidend.

2.6 Produktaustrag

Wenn die Mühle als Brecher genutzt wird, d. h., wenn die Partikelgröße des Fertigprodukts relativ grob ist (>> 1 mm), kann die Mühle durch Schwerkraft entleert werden. Bei feineren Zielkorngrößen, die sehr hohe Geschwindigkeiten und damit große Luftmengen erfordern, kann das Endprodukt jedoch pneumatisch gefördert werden. In jedem Fall müssen die Luftanforderungen der Mühle berücksichtigt und Filter an der Luftansaugung sowie am Luftaustritt (im Austragstrichter bei Schwerkraftentleerung oder im Empfangstrichter nach pneumatischer Förderung) vorgesehen werden.

Die Luftführung in einer Hammermühle muss sorgfältig geplant werden. [Liu] erwähnt, dass eine falsche Luftströmung die Kapazität einer Mühle um bis zu 50 % reduzieren kann. Folgende Faustregeln gelten:

• 260 m³/h bis 775 m³/h pro 1 m² Siebfläche
• 1350 m³/h bis 2050 m³/h pro 1 t/h Durchsatz

Dies sind nur Faustregeln; für die detaillierte Auslegung ist die Unterstützung des Mühlenherstellers zwingend erforderlich.

2.7 Sicherheit

Hammermühlen verfügen über rotierende Elemente (die Hämmer) mit sehr hohen Geschwindigkeiten (bis zu 120 m/s). Das Eindringen von Fremdkörpern wie Metallpartikeln kann daher schwere mechanische Schäden und Sicherheitsrisiken (Staubexplosionen) verursachen. Die Mühle muss daher durch Sieben des Zufuhrmaterials und Anbringen eines starken Magneten oder sogar eines Metalldetektors am Einlass geschützt werden. Das Risiko von Staubexplosionen muss durch eine explosionsfeste Bauweise der Mühle oder durch Schutzmaßnahmen (Explosionsklappen, Löschsysteme usw.) adressiert werden.

3. Industrielle Hammermühlen

Hammermühlen werden typischerweise in großen industriellen Prozessen eingesetzt, die einen hohen Durchsatz bei relativ feinem Produkt erfordern.

Große Hammermühlen können je nach gewünschter Granulometrie (feiner = geringere Kapazität; gröber = höhere Kapazität) Durchsätze von 20–50 t/h erreichen. Materialien mit einer Ausgangsgröße von bis zu 60 mm können auf ~1 mm zerkleinert werden, während bei bereits feinerem Aufgabegut (10 mm) mit Hammermühlen Korngrößen unter 500 Mikron erreicht werden können.

Quelle

[Liu] Grundlagen der Hammer- und Strahlmahlung, Gary Liu, CEP, 2017