Zerkleinerung

OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MagdeburgLehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikPraktikum ZerkleinerungInhalt1. Einleitung2. Grundlagen2.1 Energieverbrauch bei der Zerkleinerung2.2 Grobe Zerkleinerung2.2.1 Backenbrecher2.2.2 Hammerbrecher2.3 Feine Zerkleinerung2.3.1 Schwingmühle3. Simulation der Zerkleinerung mit dem Massenbilanzmodell4. Aufgabenstellung5. Versuchsdurchführung6. Versuchsauswertung und Diskussion der Ergebnisse7. Schwerpunkte zur Vorbereitung des Praktikums8. Arbeitsschutz9. LiteraturMagdeburg 2006

21. EinleitungDie Zerkleinerungsprozesse besitzen nicht nur für die Aufbereitung mineralischer Rohstoffesondern auch für andere Industriezweige, wie die Baustoffindustrie, chemische Industrie, keramischeIndustrie und in immer stärkerem Maß auch die Umwelttechnik, große Bedeutung.Durch das Zerteilen wird der Dispersitätszustand fester oder flüssiger Stoffe derart verändert,daß kleinere Bruchstücke oder Partikel entstehen. Der Dispersitätszustand eines Partikelkollektivsbestimmt dessen Eigenschaften und Verhalten in vielerlei Hinsicht, wie z.B. die Löslichkeitund das Löseverhalten, die Fluidisierbarkeit, das Fließ- und Agglomerationsverhaltenund die Farbe.Die wirtschaftliche Bedeutung der Zerkleinerung geht u. a. daraus hervor, daß man in Industrieländernetwa 4 % der Elektroenergieerzeugung für Zerkleinerungsprozesse aufwendet. Dastechnologische Ziel der Zerkleinerung wird im wesentlichen von den nachfolgenden Prozessenbzw. Verfahrensstufen oder vom Verwendungszweck des Zerkleinerungsproduktes bestimmt.In dieser Hinsicht lassen sich unterscheiden:a) Anstreben günstiger Partikelgrößen- und/oder Partikelformverteilungenb) Oberflächenvergrößerungc) Aufschließen von Wertstoffend) Strukturänderungen und mechanochemische Reaktionen2. Grundlagen2.1 Energieverbrauch bei der ZerkleinerungDas Zerkleinerungsgesetz gibt uns einen Zusammenhang zwischen der massebezogenen Zerkleinerungsarbeit,Partikelgröße vom Aufgabegut und Partikelgröße vom zerkleinerten Gut(Produkt):dEmd( d )= −C⋅(1)ndmit E - Zerkleinerungsarbeit, m - Masse des Aufgabegutes, d – Partikelgröße, C – Materialkonstante,n - Konstante, welche die Art des Zerkleinerungsgesetzes definiert.Bei n = 1 wird das KICKsche Zerkleinerungsgesetz wie folgt formuliert:Em= CK⎛ d⋅ ln⎜⎝ dAufgabePr odukt⎞⎟ = C⎠K⎛⎜A⋅ ln⎝ APr oduktAufgabe⎞⎟⎠wobei d Aufgabe und d Produkt die Partikelgrößen des Aufgabegutes und des Produktes sind.A Aufgabe and A Produkt sind die zugehörigen spezifischen Oberflächen dieser Partikel.(2)Bei n= 2 ergibt sich das RITTINGER Model:E ⎛⎞⎜1 1= C ⋅ − ⎟Rm⎝ dPr oduktdAufgabe ⎠(3)Die Konstante n=1,5 entspricht dem BOND Model:E ⎛⎞⎜ 1 1= ⋅C− ⎟B(4)m ⎜⎟⎝d80,Produktd80,Aufgabe⎠Die Konstanten C K , C R , und C BB repräsentieren dabei die Stoffeigenschaften des zu zerkleinertenGutes.

32.2 Grobe Zerkleinerung2.2.1 BackenbrecherIm großindustriellen Maßstab werden Backenbrecher in der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe(z. B. Eisenerz, Schotter und Splitt) in Bergwerken und Steinbrüchen eingesetzt, aberauch zur Zerkleinerung von Boden- und Gesteinsproben.Das Mahlgut gelangt durch eine Aufgabeschurre (Trichter) in den Mahlraum. Die Zerkleinerungerfolgt in einem keilförmigen Schacht zwischen einer festen Brechbacke und der voneiner Exzenterwelle bewegten Brechbacke. Durch den elliptischen Bewegungsablauf wird dasMahlgut zerdrückt und nach unten befördert. Sobald das Material feiner ist als der eingestellteAbstand zwischen den Brechbacken ist, fällt es in einen Auffangbehälter.2.2.2 HammerbrecherHammerbrecher sind oftmals riesige Maschinen, welche zur Zerkleinerung von grobstückigen,weichen bis mittelharten Rohmaterialien eingesetzt werden. Je nach Ausführung kann einHammerbrecher über 200 t wiegen und über 1000 t Gestein pro Stunde zerkleinern.Schematische Darstellungeines HammerbrechersDas zu zerkleinernde Gut fällt durch den Fallschacht auf den umlaufenden Rotor. Es wird vonden am Rotor symmetrisch angeordneten Hämmern getroffen, durch Prall gebrochen und anschließendim Brecherarbeitsraum durch die Hämmer weiter zerkleinert. Ein Austragsrostunterhalb des Rotors dient zur Zerkleinerung auf die gewünschte Endpartikelgröße.Im Betriebszustand drehen sich die Hämmer typischerweise zwischen 200 und 500 Umdrehungenpro Minute um die Rotorachse. Die Hammermassen variieren je nach Hammerbrechermodellin der Regel zwischen 20 und 180 kg, in Einzelfällen können die Hämmer sogareine Masse von bis 250 kg aufweisen.

42.3 Feine Zerkleinerung2.3.1 SchwingmühleScheiben-Schwingmühlen werden für die schnelle verlustfreie Feinstvermahlung verwendet.Mittelharte, harte, spröde sowie faserige Materialien lassen sich in trockenem Zustand zerkleinern.Mahlbecher aus gehärtetem Spezialstahl, Wolframcarbid, Achat oder Zirkonoxidermöglichen ein breites Einsatzspektrum.BehälterRingZylinderDer Behälter mit dem Mahlgut führt horizontale Kreisschwingungen von 700 bzw. 1400 min -1aus. Die im Becher befindlichen Mahlringe üben durch die Zentrifugalwirkung extremeDruck-, Stoß- und Reibwirkungen auf das Mahlgut aus. Die Kreisschwingungen werdendurch einen Unwuchtantrieb mit polumschaltbarem Drehstrommotor 400/700 Watt erzeugt.Die Haube des schallisolierten Mahlraumes hat eine Sicherheitsverriegelung, d. h. sie lässtsich nur bei Stillstand der Mühle öffnen.3. Simulation der Zerkleinerung mit dem MassenbilanzmodellDie Kinetik der Zerkleinerung kann durch die Änderung der Massenanteil μider Partikelgrößenklassei beschrieben werden. Für die drei Partikelgrößenklassen werden die Zerkleinerungsgeschwindigkeitend μ0 dμ1dμ, ,3 durch das folgende System von gewöhnlichen Differentialgleichungendt dt dtdargestellt:dμdtdμdtdμdt0 = −μS 0⋅0= −μ1⋅11 S+ b01 0⋅ S02 = 0 + b12⋅ μS1⋅ S1+ b02⋅ μ0⋅0(gröbste Partikel) (5)⋅ μ (mittelgroße Partikel) (6)(feine Partikel) (7)S iGeschwindigkeitskonstante der Klasse ibijAnteil der μi, welche zur Klasse j übergehen, d.h. dort „landet“

54. Aufgabestellung1. Die Zerkleinerungskinetik von Quarzsand wird untersucht. Die Geschwindigkeitskonstanteder gröbsten Klasse S 0 wird gefunden.2. Der Energieverbrauch bei der Zerkleinerung von spröden Materialen wird untersucht.Die Arbeitsweisen von Schwingmühle, Backenbrecher und Hammerbrecher werdencharakterisiert. Die Bond Konstante C B wird - ausgehend von der Partikelgrößenverteilungdes gegebenen Materials - bestimmt.3. Der Einfluß der Feuchte auf die Zerkleinerungskinetik wird untersucht.5. Versuchsdurchführunga) Zuerst werden die zwei identischen Proben von Kalkstein vorbereitend. Nach der Zerkleinerungim Bakenbrecher und im Hammerbrecher werden die Partikelgrößenverteilungen mittelsder Siebanalyse bestimmt. Die Ergebnisse werden grafisch dargestellt.Das Betreiben des Backenbrechers und des Hammerbrechers geschieht in gleicher Weise:• Reinigung des Mahlraums• Starten des Motors des entsprechenden Brechers• Einfüllen des Aufgabegutes in den Brechraum (Mahlraum)• Ausschalten des Brechers• Entnehmen der zerkleinerten Materials aus dem Brecherb) Untersuchung der ZerkleinerungskinetikDie Untersuchung der Zerkleinerungskinetik wird in der Schwingmühle durchgeführt.Zwei Proben der Masse 200 g werden vorbereitet durch eine Vorabsiebung des Quarzsandes.Anschließend wird die Sandprobe wie folgt in der Schwingmühle zerkleinert:• Reinigung des Mahlraums• Einfüllen des Gutes in den Mahlraum• Start der Mühle und des Timers• Ausschalten der Mühle nach 5 Sekunden• Entnehmen des zerkleinerten Materials aus der Mühle• Siebanalyse des zerkleinerten Materials, Bestimmung der PartikelgrößenverteilungDieser Zerkleinerungsvorgang sowie die Siebanalyse werden wiederholt bei folgenden Zerkleinerungsintervallen:10, 20, 40 und 80 s.Die Ergebnisse werden in der Tabelle 1 dargestellt.Table 1. Siebanalyse, Massen in gZeitintervall t=0 s t=5 s t=10 s t=20 s t=40 s t=80 sZerkleinerungszeit t=0 s t=5 s t=15 s t=35 s t=75 s t=155 s630 µm

6c) Zerkleinerung mit Wasser• Reinigung des Mahlraums• 200 Quarzsand und 100 ml Wasser werden in den Mahlraum aufgegeben• Start der Mühle und des Timers• Ausschalten der Mühle nach 10 Sekunden• Entnehmen des zerkleinerten Materials aus der Mühle• Partikelgrößenanalyse des zerkleinerten MaterialsTable 2. Siebanalyse, Massen erhalten von der NaßzerkleinerungPartikelgrößed in µm800

77. Schwerpunkte zur Vorbereitung des Praktikums1) aus Vorlesung/Seminar: Siebanalyse und Partikelgrößenverteilung Q 3 (d)2) in [1] S. 290 ff. oder [2] oder [3] gut erläuterten: Bond-Konstante, Rittinger-Gesetz, Zerkleinerungskinetikund Massenbilanzmodell8. Folgender Arbeitsschutz ist beim Arbeiten im Labor zu beachten:Vorsicht beim Schließen des Deckels des Bechers in der Schwingmühle - Quetschgefahr fürdie Hand!Die Schwingmühle nur mit geschlossenem Deckel anschalten.Vorsicht beim Sieben, daß kein Sand in die Augen kommt!Der elektrische Hauptschalter befindet sich rechts neben der Tür, die Feuerlöscher auf demGang.Das Telefon befindet sich neben der Tür. Universitäts-Notruf: 11150Folgende allgemeine Forderungen des Arbeitsschutzes sind zu beachten:Festes Schuhwerk und strapazierfähige Kleidung tragen.Kein Schmuck tragen, insbesondere keine Halsketten oder Armringe.Kein Feuer, kein Rauchen und kein Essen im Labor.Keine Alkohol und auch kein Restalkohol im Blut während der Laborarbeiten.Verletzungen und Beschädigungen dem Praktikumsleiter melden.9. Literatur1. Schubert, H., Heidenreich, E., Liepe, F., Neeße, Th.: Mechanische Verfahrenstechnik, 3.Aufl. Leipzig: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie 19902. Schubert, Heinrich: Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik, 1. Aufl. Weinheim:WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA 20033. Schubert, H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Band 1. 4. Aufl., VEB DeutscherVerlag für Grundstoffindustrie Leipzig 19894. Crushing and Grinding, in ”Powder Technology Handbook”, New York, 1997, edited byKeishi Gotoh pp. 527-603.5. K. Schönert, Size Reduction(fundamentals), Ullmann’s Encyclopedia of industrial Chemistry,Vol. B2, VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim, Germany, 1988, pp.5.1-5.146. Perry’s Chemical Engineering Handbook, 1999, pp. 20,10-20,24.