1. Principes van bulkvaste stoffen vermaling

Vermaling is de handeling waarbij de deeltjesgrootte wordt gereduceerd dankzij een mechanische actie. De mechanische actie onderwerpt de deeltjes aan spanning, waardoor scheuren ontstaan en het deeltje uiteindelijk in kleinere delen breekt.

De mechanische actie die wordt gebruikt om deeltjes te breken en de grootte te reduceren, kan divers zijn; verschillende soorten molens maken gebruik van deze vermalingsprincipes.

Typische vermalingsprincipes zijn onder andere:

• Gebruik van 2 vaste oppervlakken: het product wordt geperst of wrijving ondergaan tussen 2 vaste oppervlakken
• Gebruik van een enkel vast oppervlak: het product wordt met impact tegen een vast oppervlak geslagen
• Het product wordt gesneden - afschuifkrachten of drukgolven worden gebruikt om de deeltjes te breken

Een belangrijke overweging is dat vermaling zowel in droge als in natte fase kan plaatsvinden; de gebruikte apparatuur verschilt per fase.

Het dimensioneren van malingsoperaties is voornamelijk gebaseerd op ervaring en referenties van bestaande installaties. Het benutten van leverancierservaring en het uitvoeren van tests wordt sterk aanbevolen. Er bestaan modellen om het energieverbruik te bepalen, maar deze blijken in een industriële omgeving weinig bruikbaar. Korrelgrootteverdeling ("PSD") verkregen door de molen, maar deze modellen zijn niet erg toepasbaar in een industriële omgeving. Een belangrijk punt om te onthouden is dat malingsoperaties veel energie vereisen, maar slechts 1-2% hiervan daadwerkelijk wordt gebruikt voor de korrelvermindering, het grootste deel gaat verloren door wrijving en warmteontwikkeling in de molen. Daarom dient maling een specifiek aandachtspunt te zijn voor energie-efficiëntie om de productiekosten te optimaliseren.

2. Gangbare apparatuur voor poedermaling

Hoeveel soorten molens bestaan er?

De onderstaande tabel geeft een overzicht van de belangrijkste malingsapparatuur die in procesindustrieën wordt toegepast.

Tabel 1: Malingstechnologieën

Molengroep	Molentypes	Principes
Walsmolens	Rolmolens Enkelvoudige of meervoudige trap Hoge-druk rolmolen	Deze molens zijn uitgerust met 2 rollen die in tegengestelde richting draaien. Het product wordt tussen de 2 rollen gevoerd. Tijdens het passeren tussen de rollen wordt het product blootgesteld aan compressie- en afschuifkrachten, waardoor de korrelgrootte wordt verminderd. Om het proces efficiënter te maken, kunnen meerdere rollenparen in serie worden geïnstalleerd met een afnemende tussenruimte. De rollen kunnen ook groeven bevatten die het malen efficiënter maken door het product als het ware "vast te bijten". Om de molen efficiënter te maken, zijn sommige walsmolens uitgerust met een systeem dat een hoge druk (10-50 bar) tussen de rollen garandeert. Het is ook verplicht voor deze molens om een veersysteem te hebben dat de druk kan vrijgeven als de belasting te hoog wordt (bijv. bij eenvreemd voorwerp ) om mechanische schade te voorkomen.
Impactmolens	Hammermolens Pennemolens Universele molens	De korrelvermindering wordt hier bereikt door het product tegen een vast oppervlak te slaan. Dit oppervlak bestaat uit verschillende soorten slagstaven die met zeer hoge snelheid roteren. Een pennemolen is uitgerust met een statische schijf voorzien van meerdere pennen en een mobiele schijf, eveneens voorzien van pennen. Wanneer het product gedwongen wordt door het systeem te gaan, wordt het geraakt door de pennen en daardoor verbroken en in grootte verminderd. Een hammermolen is uitgerust met een eenvoudige roterende schijf met vele pallets die het product raken en tegen de behuizing van de molen gooien. Een maalzeef die het maalproces verbetert en de Korrelgrootteverdeling kan verkleinen, kan ook worden geïnstalleerd. Hogesnelheids-hammermolens (eindsnelheden van 40 tot 70 m/s) kunnen deeltjesgroottes bereiken onder 0,1 mm. Een universele molen is een afgeleide van de hammermolen met geavanceerdere slagstaven, maalbanen en zeven. De eindsnelheid varieert van 40 tot 100 m/s.
Impactmolens	Straalmolens	Straalmolens bereiken korrelvermindering door het product te versnellen en het vervolgens tegen een statisch doel te gooien of tegen een andere stroom versnelde deeltjes. Om dit te bereiken, moeten snelheden tot 250 m/s worden gehaald om voldoende energie aan de deeltjes te geven om ze bij impact te breken. Een enkele passage door de molen zou een zeer brede korrelgrootteverdeling creëren. Om de korrelgrootteverdeling te verkleinen, zijn straalmolens uitgerust met een classifier. Alleen deeltjes onder een bepaalde doelgrootte mogen de molen verlaten; de rest wordt gerecirculeerd.
Molens met maalmedia	Kogelmolens (droog)	Kogelmolens bestaan in principe uit een trommel die gedeeltelijk is gevuld met maalmedia, meestal keramische of stalen kogels. De molen wordt gevuld met maalkogels en het product, waarna de molen wordt gedraaid tot een snelheid die hoog genoeg is zodat de kogels vrij kunnen rollen. In sommige toepassingen is een roerwerk aanwezig om de kogels te bewegen, waarbij de trommel niet draait. Wanneer de kogels rollen, oefenen ze impact- en/of afschuifkrachten uit op het product. Het product wordt in grootte verminderd door impact tussen twee kogels, tussen een kogel en de wand, of door tegen de wand te slaan.
Molens met maalmedia	Kogelmolens (nat)	Kogelmolens, zoals hierboven beschreven, zijn ook geschikt voor het malen van vaste stoffen in natte fase. Het ontwerp bestaat hier voornamelijk uit een kogelmolen met een roerwerk, waarbij de beweging van het roerwerk de kogels doet bewegen en het product door impact of wrijving vermalen wordt. Ontwerpen met losse maalmedia komen voor, met name in lange horizontale molens, maar efficiëntere ontwerpen gebruiken een compact verticaal wervelbed van kogels dat geagiteerd wordt. Het gebruik van dicht opeengepakte en geagiteerde kogels maakt het mogelijk veel vermogen op te nemen en deeltjes te malen tot enkele tientallen micrometers. Om de kogels en het product aan het einde van het maalproces te scheiden, wordt een rooster geplaatst met gatdiameters kleiner dan die van de kogels. Het is belangrijk om te bedenken dat geagiteerde kogels, vooral als ze dicht opeengepakt zijn in de maalruimte, warmte genereren. Deze molens moeten daarom worden gekoeld en hebben vaak een dubbelwandige mantel.
Natmolens	Colloïdemolens	Colloïdemolens zijn tegenwoordig wijdverspreid in de industrie. Ze kunnen eenvoudig worden geïmplementeerd in kleine processen waar het malen van een slurry vereist is. Colloïdemolens bereiken korrelvermindering door het product bloot te stellen aan intense afschuifkrachten die worden gegenereerd door een hogesnelheidsrotor. De rotor bevindt zich in een behuizing; door het product hierin te voeren, creëert de rotor een hoge afschuifkracht die uiteindelijk de deeltjes breekt. De behuizing is voorzien van gaten waardoor het gemalen product kan worden afgevoerd.

Daarnaast moet de procesintegratie van de molen worden ontworpen volgens de prestaties van de molen: er kan gekozen worden voor open- of gesloten-lus malen.

Bij open-lus malen gaat het invoermateriaal slechts één keer door de molen. Dit is geschikt als de molen in één passage de gewenste korrelgrootteverdeling kan bereiken. Dit resulteert in het eenvoudigste proces.

Bij gesloten-lus malen moet na de molen een systeem worden geïmplementeerd om deeltjes met een te grote afmeting te scheiden van deeltjes met de gewenste afmeting. Dit is doorgaans een zeefoperatie waarbij het overschot wordt gerecirculeerd door de molen.

3. Selectie van molentypes

Het is zeer belangrijk om te begrijpen welke prestaties een bepaald type maalapparaat kan behalen voor welk type vaste stoffen. Dit stelt de procesingenieur in staat om het juiste maalapparaat te selecteren voor een nieuw proces, of zelfs storingen in een bestaand proces op te lossen.

De eerste vraag die gesteld moet worden, is de fase waarin het malen moet plaatsvinden. Als dit in natte fase gebeurt, zal de keuze voornamelijk uitgaan naar een geroerde kogelmolen of, indien het malen eenvoudig is en de gewenste verkleining niet te groot, een colloïdale molen.

Tabel 2: Bereikbare deeltjesgrootte per maaltechnologie

Verwachte deeltjesgrootteverdeling (d50)	Mogelijk maalapparaat
Gemiddeld-grof (10 mm)	Walsmolen Hamerbreker
Gemiddeld-fijn (1 mm)	Walsmolen Hamerbreker
Fijn (0,1 mm)	Walsmolen (overweeg meertraps) Hogedruk-walsmolen Hogesnelheids-hamerbreker Hogesnelheids-universalmolen Pennenmolen
Zeer fijn (0,025 mm)	Hogesnelheids-universalmolen Pennenmolen Straalmolens Geroerde kogelmolens (nat)

De aard van de te malen deeltjes zal ook de keuze van de apparatuur bepalen. Het is met name belangrijk om de hardheid van het te malen product te begrijpen.

In de literatuur wordt hardheid soms aangeduid met de hardheidsschaal van Mohs, hieronder weergegeven:

Tabel 3: Hardheidsschaal van Mohs

Mohs-hardheid	Referentieproduct
1	Talk
2	Gips of zout
3	Calciet
4	Fluoriet
5	Apatiet
6	Veldspaat
7	Kwarts
8	Topaas
9	Korund
10	Diamant

Nadat de hardheid van het te malen product is bepaald, kan onderstaande tabel helpen bij het selecteren van het geschikte type maalapparaat. Het resultaat moet worden gecombineerd met de gewenste fijnheid, zoals weergegeven in de bovenstaande tabel.

Tabel 4: Selectie van maalapparaat op basis van materiaalhardheid

Producthardheid	Mogelijk maalapparaat
1-3 (zacht)	Walsmolen Hogedruk-walsmolen Hamerbreker Hogesnelheids-hamerbreker Universalmolen Pennenmolen Geroerde kogelmolen (nat) Colloïdale molen (nat)
4-6 (gemiddeld hard)	Walsmolen Hogedruk-walsmolen Universalmolen Geroerde kogelmolen (nat)
7-10 (hard)	Hogedruk-walsmolen

4. Veiligheid van maalsystemen

De eerder genoemde referenties naar maalapparaten tonen aan dat de meeste molens bij zeer hoge snelheid werken. Dit brengt verschillende belangrijke risico’s voor de procesveiligheid met zich mee. De belangrijkste risico’s worden hieronder opgesomd.

Om een brand, explosie of de gevolgen daarvan te voorkomen of te beperken, zijn maalsystemen vaak uitgerust met de volgende apparatuur. Dit zijn algemene, maar vrij complete overwegingen; elke molenoperator moet echter een eigen risicobeoordeling uitvoeren, specifieke risico’s voor de installatie bepalen en passende maatregelen nemen.

De onderstaande overwegingen zijn met name van toepassing op droge verkleining.

PREVENTIE van stofexplosies in maalsystemen

Het voorkomen van explosies in een molen bestaat voornamelijk uit het vermijden dat vreemde voorwerpen de molen binnendringen, het detecteren van mechanische problemen en het opsporen van oververhitting van het product door overvulling.

Tabel 5: Preventieve maatregelen tegen explosies in molens

Preventie	Genomen maatregel
Voorkom binnenkomst vreemde voorwerpen	De producttoevoer moet worden gecontroleerd via een trillingszeef en een magneet - in sommige gevallen kan dit een metaaldetector
Detecteer mechanische problemen	Een mechanisch defect aan roterende onderdelen kan leiden tot metaal-metaalcontact, vonken of oververhitting van een lager. Dit kan bijvoorbeeld brand veroorzaken. Sommige molens zijn uitgerust met trillingsdetectie; als de trilling boven een gedefinieerde drempelwaarde uitkomt, wordt de molen stopgezet. Temperatuursensoren zijn ook geïnstalleerd op lagers om oververhitting te detecteren. Lagers moeten bovendien worden doorgespoeld om te voorkomen dat productdelen zo sterk verhit raken dat ze vlam vatten.
Voorkom overvulling	De voeding van de molen moet perfect worden geregeld om overvulling te voorkomen, wat kan leiden tot verhitting van het product en nasmeulen. Controle van trillingen en stroomopname van de motor kan ook helpen om dit incident te detecteren.
Inertiseren	Sommige molens worden met stikstof geïnertiseerd om explosierisico’s te voorkomen.

MITIGATIE van stofexplosies in maalsystemen

Indien de preventieve maatregelen onvoldoende waren en er zich een ongeluk voordoet dat leidt tot een explosie, kunnen maalsystemen worden beschermd met de volgende apparaten.

Tabel 6: Mitigatie van explosies in molens

Mitigatie	Genomen maatregel
Explosiebestendigheid	Sommige maalsystemen kunnen worden gebouwd om explosies te weerstaan, meestal tot 10 bar(g). Dit is een effectieve manier om een explosie in te dammen, maar de rest van het proces moet ook dienaangaand worden ontworpen, met apparaten die de verspreiding van de explosie kunnen stoppen en deze beperken tot het gebied dat bestand is tegen de druk.
Explosie-insluiting	Verschillende apparaten kunnen worden gebruikt om de verspreiding van een explosie te voorkomen. Ventex-klep: dit is een passieve klep die sluit onder invloed van een drukgolf Explosievrije sterrotorklep: sterrotorklep met voldoende alveolen om een explosie te stoppen. De explosie moet worden gedetecteerd om de rotatie van de klep tijdig te stoppen. Snelsluitende klep: vaak geplaatst in de leiding. Deze kleppen kunnen binnen enkele milliseconden sluiten na detectie van een explosie. Ook hier is een explosiedetectiesensor en een veiligheids-PLC vereist om de klep tijdig te sluiten.
Drukontlasting	Explosiepanelen kunnen worden geplaatst, meestal stroomafwaarts van de maalinstallatie, om de druk van een explosie af te blazen en zo gevaarlijke schade te voorkomen. Deze panelen kunnen ook worden gekoppeld aan een vlamdover.
Explosie-onderdrukking	Een blusmiddel kan worden geactiveerd aan het begin van een explosie om te voorkomen dat de drukgolf zijn maximale druk bereikt.

5. Bedrijf van maalinstallaties

De belangrijkste zorg in een industriële omgeving is het bereiken van een gespecificeerde korrelgrootteverdeling ("Particle Size Distribution", PSD) bij een gegeven doorvoer. De operator moet daarom reageren op mogelijke veranderingen in de waargenomen PSD en de procesparameters begrijpen. Enkele van deze parameters worden hieronder uitgelegd.

Tabel 7: Stuurparameters van het maalproces

Procesparameter	Verandering (overige constant)	Verwacht effect
Doorvoer	Meer	Het toelaten van meer vaste stoffen in de maalinstallatie zal naar verwachting de PSD vergroten en verbreden In tegendeel, het verminderen van de doorvoer kan een tijdelijke manier zijn om terug te keren naar een kleinere PSD
Vochtgehalte van de invoer	Meer	Een vochtigere invoer kan leiden tot een grotere PSD, doordat het moeilijker wordt om de deeltjes te breken, of doordat poederagglomeratie optreedt na breuk
PSD van de invoer	Meer	Het is zeer belangrijk om de PSD van de invoer te controleren. Elke verandering zal invloed hebben op de PSD van het gemalen product Bij natmalen, met geagiteerde kralenmolens, kan een te grote PSD uiteindelijk leiden tot verstopping bij de inlaat van de maalinstallatie.
Snelheid	Meer	Het verhogen van de snelheid van de maalinstallatie zal resulteren in een kleinere PSD, maar met een hoger energieverbruik. Het moet in gedachten worden gehouden dat hoe hoger de snelheid, hoe groter de slijtage. De slijtage van de maalinstallatie moet daarom worden beheerd, met name bij kogelmolens waar een deel van de kralen met de productstroom meegedragen wordt (de acceptabiliteit van de verontreiniging moet worden gecontroleerd).
Vetgehalte	Meer	Een vettere invoer zal agglomeratie bevorderen, wat de PSD zal vergroten. Vette producten kunnen ook de maalinstallatie blokkeren, waardoor de efficiëntie afneemt of zelfs veiligheidsproblemen ontstaan (oververhitting).
Temperatuur	Meer	Een hogere temperatuur kan negatieve gevolgen hebben voor het maalproces, met name bij poeders die kunnen verzachten door temperatuur. Temperatuurbeheersing is daarom essentieel.
Kraalgrootte	Minder	Voor geagiteerde kralenmolens: kleinere kralen leiden tot een groter maaloppervlak, en dus tot een kleinere PSD

Bronnen

Industriële ervaring van de auteur
"Principles of Powder Technology", Martin Rhodes et al., John Wiley and Sons, 1990