ОпТиМизация РаБОТЫ БиСЕРНЫХ МЕЛЬНиц

Оптимизация РАБОТЫ БИСЕРНЫХ МЕЛЬНИЦ:
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЗА СЧЕТ усовершенствования
системы оХЛАЖДЕНИЯ И КОНФИГУРАЦИИ ДИСКОВ
Штефан Менде, Михаэль Раппл
NETZSCH-Feinmahltechnik
На смену стандартным плоским дискам в горизонтальных мельницах пришли диски новой конструкции. Недавно разработаны
диски Tetranex как обычной плоской формы, так и с дополнительными выпуклостями, которые улучшают перемешивание
мелющих тел. Правильный подбор таких дисков и новая система
охлаждения увеличивают производительность бисерных мельниц, снижая необходимое удельное потребление энергии.
Б
исерные мельницы используют для измельчения широ­
кого ассортимента продуктов в различных отраслях про­
мышленности, включая пищевую, фармацевтическую,
агрохимическую, микроэлектронику, а также производство ке­
рамических изделий и наполнителей. Одними из основных про­
дуктов, изготавливаемых на подобных установках, являются
ЛКМ, пигменты и красители, а также чернила для принтеров.
Важно, что процессы тонкого измельчения делятся на ре­
альное измельчение и диспергирование. В процессе измель­
чения разрушение должно быть инициировано в кристалли­
ческих или аморфных частицах, чтобы добиться уменьшения
их размеров. Однако иногда маленькие первичные части­
цы изначально находятся в виде агломератов или агрегатов,
удерживаясь вместе благодаря силам различной природы и
величины. В этом случае достаточным может оказаться дис­
пергирование подобных материалов.
Поэтому в зависимости от того, какой продукт необходимо
измельчить, требуются установки, с помощью которых можно
получать регулируемое значение удельной энергии. Эта зада­
ча была успешно решена с изобретением новой геометриче­
ской формы дисков для горизонтальных мельниц.
Теоретические принципы работы бисерных мельниц
На процесс тонкого измельчения в бисерных мельни­
цах влияет множество рабочих параметров. Детальные ис­
следования показали, что важными факторами являются
удельное потребление энергии, энергия соударений мелю­
щих тел, количество эффективных соударений мелющих тел
с продуктом, а также время пребывания частиц в мельнице.
Для проходных режимов работы энергия измельчения для
конкретного продукта рассчитывается исходя из продолжи­
тельности измельчения и передачи энергии в продукт. Вели­
чина удельного потребления энергии является производной
от энергии измельчения относительно объема измельченного
продукта. Для непрерывных или циркуляционных процессов
удельное потребление энергии определяется как соотноше­
ние энергии, передаваемой в продукт, и объемного или мас­
сового расхода продукта. Штеер [1] и Вайт [2] доказали, что
Бисерная мельница LME 60 компании NETZSCH
процесс измельчения для каждого продукта в первую очередь
зависит от удельного потребления энергии.
Дальнейшие исследования [3–6] показали, что существу­
ет прямая зависимость между энергией соударений мелющих
тел, количеством эффективных соударений мелющих тел и
удельным потреблением энергии, необходимых для достиже­
ния конкретных результатов. В данном контексте под энерги­
ей соударений подразумевается кинетическая энергия мелю­
щих тел, которая может передаваться в более или менее ши­
роком диапазоне в зависимости от конструкции установки.
Данная кинетическая энергия определяется в первую оче­
редь массой и скоростью мелющих тел. Каждый случай эф­
фективного соударения является результативным, если при
таком соударении в продукт передается энергия, достаточная
для инициирования разрушения частиц или преодоления сил
связи между первичными частицами. Если энергия соударе­
ния мелющих тел слишком мала или слишком велика в каж­
дом конкретном случае, то это может увеличить количество
рассеиваемой энергии, что приведет к нежелательному выде­
лению тепла.
Влияние удельной мощности на производительность бисерной
мельницы
Некоторые производители мельниц заявляют о самых
высоких показателях удельной мощности, которые толь­
ко можно достичь при работе на бисерных мельницах. Это
означает, что установленная мощность увеличивается, в то
время как объемы размольной камеры становятся все мень­
ше. Преимущества очевидны: с такими установками можно
добиться большей производительности при меньшем объ­
еме размольной камеры.
Однако следует учитывать, что понизить установленную
мощность электродвигателя и, соответственно, приводно­
го механизма, торцевого уплотнения, подшипников и ста­
нины установки невозможно. Это означает, что использова­
ние машины с меньшим количеством мелющих тел обеспе­
чивает экономию только на начальном этапе. Такой режим
имеет смысл, только если для измельчения продукта тре­
буются высокие значения энергии нагрузки или если при­
няты меры для обеспечения более эффективного контакта
мелющих тел и продукта при увеличении подаваемой мощ­
ности. Эффективный контакт мелющих тел означает, что их
кинетическая энергия в момент удара, а также энергия, пе­
редаваемая соударяемыми частицами, превышают энергию
Лакокрасочная промышленность
разрушения или энергию связи настолько, что происходит
процесс измельчения. Однако если эта энергия, определя­
емая как энергия соударения мелющих тел, окажется боль­
ше, чем требуется, ее избыток, как правило, преобразуется
в тепло, что, помимо нагревания продукта, приводит к по­
вышению износа бисера и/или оборудования.
В связи с этим увеличение потребляемой мощности всег­
да сопровождается необходимостью достаточного охлажде­
ния, чтобы предотвратить перегрев продукта во время из­
мельчения. Для обеспечения оптимального охлаждения
установок объемом до 60 л компания NETZSCH разработала опцию Cool Plus.
ФаКТОРЫ, ВЛияЮЩиЕ На уДЕЛЬНуЮ МОЩНОСТЬ
В ГОРизОНТаЛЬНЫХ МЕЛЬНицаХ
Увеличение потребляемой мощности может быть достиг­
нуто благодаря скорости вращения вала, а также в основном
за счет геометрии мельницы и ее ускорительных элементов.
В частности, в бисерных мельницах можно достичь высокой
удельной мощности с помощью геометрии кольцевого зазора
со штифтами или устройства «шип/противошип» вместо дис­
ков. В данном случае бисер более интенсивно активируется
и ускоряется с помощью штифтов. В то же время за счет гео­
метрии кольцевого зазора достигается значительно меньший
разброс скорости мелющих тел по сравнению с полнообъем­
ными или с дисковыми бисерными мельницами.
Проведем прямое сравнение бисерных мельниц, имею­
щих кольцевой зазор и штифты, с обычными полнообъем­
ными или дисковыми мельницами. В результате оказывает­
ся, что бисерная мельница с дисками, имеющая приблизи­
тельно в 2 раза больший объем размольной камеры и такой
же уровень заполнения бисером, потребляет такую же мощ­
ность при сопоставимой окружной скорости. Под элемен­
том, с помощью которого передается нагрузка или ускоре­
ние, подразумевается диск, имеющий замкнутый внешний
контур без укороченных сопряжений, за счет которых могут
образовываться какие­либо дополнительные элементы акти­
вации (например, штифты или иные нескругленные части).
аНаЛиз РаСпРЕДЕЛЕНия ЭНЕРГии
В ДиСКОВЫХ МЕЛЬНицаХ
Штендер [6] подробно описал движение продукта и удель­
ную энергию в дисковых бисерных мельницах. Для проведе­
ния анализа пространство между двумя мелющими дисками
было разделено на четыре части, которые характеризова­
лись разными показателями удельной энергии (рис. 1).
В объеме V1 тангенциальная скорость мелющих тел уве­
личивается в направлении от центра наружу (т.е. от вала
мешалки). В то же время тангенциальная скорость жидко­
сти и, соответственно, мелющих тел значительно снижает­
ся в осевом направлении от диска мешалки к стенкам раз­
мольной камеры.
Благодаря резкому падению скорости в объеме V1 возни­
кают соударения мелющих тел с большой разницей скоро­
стей, особенно в осевом направлении. Это приводит к пере­
даче большого количества деформирующей энергии. В объ­
еме V2 тангенциальная скорость мелющих тел уменьшается
со значений, которые практически соответствуют окружной
ЛакоКрасочная Промышленность
V2
V3
V1
симметрия
V4
симметрия
Рис. 1. Деление пространства между двумя размольными дисками на объемы с разной удельной энергией
скорости дисков мешалки на их внешних кромках, до почти
нулевого значения возле стенок размольной камеры. Таким
образом, большое количество деформирующей энергии пе­
редается продукту также в объеме V2.
В объеме V3 по сравнению с объемом V2 скорости мелю­
щих тел значительно ниже из­за большей удаленности от
диска, а в объеме V4 вообще не наблюдается четкого измене­
ния скорости сдвига в осевом или радиальном направлении.
Бисер циркулирует с определенной тангенциальной ско­
ростью, но заметны лишь минимальные различия в скоро­
сти. Таким образом, в объеме V4 контакты мелющих тел воз­
никают только с незначительной деформирующей энергией.
Кроме того, благодаря присутствию центробежных сил, кон­
центрация мелющих тел в объеме V4 заметно снижена.
Модификация геометрии дисков повышает производительность
При обычной геометрии размольный диск представляет
собой сплошной диск с креплением по центру. В последние
десятилетия на рынке появились диски с самой разнообраз­
ной геометрией: с различными внешними контурами, форма­
ми отверстий и прорезей (рис. 2). Когда такие диски стали
устанавливать на валах эксцентрично, перемещение мелю­
щих тел существенно изменилось. Кроме активации ради­
ального движения бисера, теперь на него также передаются
импульсы в осевом направлении. Это приводит к увеличению
эффективности и к улучшению характеристик поведения по­
тока в мельнице.
Компания NETZSCH оборудовала свои бисерные мельницы
LME такими эксцентрическими дисками, и вскоре стало оче­
видно, что из­за сильной вибрации подобное устройство под­
дается контролю только при определенных размерах установ­
ки. В результате была разработана геометрия, в которой три
эксцентричных диска были эффективно соединены в один.
Получившийся диск был назван Trinex и на многие годы стал
стандартом для этих горизонтальных дисковых мельниц.
Новая идея была подхвачена другими производителями
мельниц. Например, компания Premier разработала форму
Рис. 2. Эволюция геометрии размольных дисков
11
10
Общий объем мелющих тел – 13,6 л
Керамический бисер Cerabeads – 1,2 мм
Производительность, кВт
9
Испытания проводились с водой
8
7
6
5
4
3
800
900
1000
1100
1200
Скорость, об/мин
TETRANEX
TRINEX
Рис. 3. Увеличение потребляемой энергии при постоянной скорости
вала
размольного диска с четырьмя углами. С такой формой мож­
но было преодолевать недостаток геометрии Trinex — мень­
ший средний диаметр диска по сравнению с концентриче­
ским круглым диском. При этом не приходилось отказы­
ваться от дополнительной активации мелющих тел в осевом
направлении.
После приобретения в 2010 г. компанией NETZSCH фир­
мы Premier данная геометрия диска была применена в гори­
зонтальных дисковых мельницах NETZSCH. Кроме того, была
сформулирована новая концепция, основанная на форме
диска, а также разработана дальнейшая дисковая геометрия
за счет специальных элементов, способствующих актива­
ции, которыми оборудовали передние поверхности дисков.
Новая геометрия получила название Tetranex для пло­
ских дисков без элементов, способствующих активации, и
Tetranex Plus — для дисков, имеющих такие элементы. Бла­
годаря элементам активации на передней части диска бисер
в промежутке между двумя дисками активируется дополни­
тельными осевыми импульсами. Достигается значительно
более высокая удельная энергия при более эффективном
использовании энергии.
Существует две конфигурации для таких мелющих дисков.
Комбинирование плоских дисков с дисками, оснащенными
элементами активации, способствует энергоемкому измель­
чению с высокой потребляемой мощностью.
На рис. 3 показано увеличение потребляемой мощности
при работе мельницы с водой. Сначала эта машина работа­
ла с дисками Trinex, а затем — при том же количестве бисе­
ра — с дисками Tetranex на разных скоростях. Все осталь­
ные рабочие параметры были идентичны. Например, при
скорости 1200 об/мин потребляемая мощность увеличилась
с 6,9 до 10,1 кВт, т.е. на 46,6 %.
В результате многочисленных испытаний в прикладной лаборатории было доказано, что некоторые пигменты
или твердые вещества, для которых требуется только деагломерация, можно измельчить более эффективно, если
удельная энергия в мельнице преднамеренно снижена.
Этого легко добиться, если на валу смонтированы только
плоские диски Tetranex.
Таким образом, благодаря этим двум вариантам геометрии дисков можно адаптировать стандартную машину к
требованиям, предъявляемым в каждом конкретном случае к оборудованию. Это достигается изменением компо­
новки мелющих дисков на валу без дополнительных кон­
структивных изменений.
уСКОРЕНиЕ пРОизВОДСТВа и уЛуЧШЕННЫЕ КаЧЕСТВа
На бисерных мельницах часто производятся печатные кра­
ски для упаковки. В присутствии заказчика были произведе­
ны испытания, в ходе которых изменяли различные рабочие
изменение различных рабочих параметров для оптимизации производства
Номер испытания
1
2
3
4
Trinex
Tetranex
Tetranex
Tetranex
Zs
Cerabeads
Cerabeads
Cerabeads
1,0–1,2
0,8–1,0
0,8–1,0
0,8–1,0
Объем мелющих тел, л
34
34
36,3
36,3
Общая плотность мелющих тел, кг/л
2,4
3,6
3,6
3,6
Окружная скорость, м/с
10,8
10,8
12,0
12,0
Потребление энергии (по силе тока), А
36,0
38,0
38,5
38,0
Давление в размольной камере, бар
0,6–0,7
0,5
0,5
0,5
Температура продукта на выходе, °C
55–60
45
50–55
50–55
2
2
2
2
Производительность (первый проход), кг/ч
120
240
360
240
Производительность (второй проход), кг/ч
120
180
120
180
Производительность, кг/ч
60
103
90
103
Удельное энергопотребление, кВт/т
351
193
237
204
Стандартное
Почти стандартное
Стандартное
Лучше стандартного
Конструкция размольной системы
Тип мелющих тел
Размер мелющих тел, мм
Количество проходов
Качество продукции
ЛакоКрасочная Промышленность
параметры для оптимизации производства красной печат­
ной краски для упаковки. Их результаты приведены в табли­
це. После первого испытания установка была оснащена дис­
ками Tetranex с оптимизированной системой охлаждения.
Применяемый бисер был заменен на более износостойкий с
большей удельной плотностью.
Благодаря улучшенной теплопроводности внутренней
емкости размольной камеры удалось снизить температуру
продукта на выходе, несмотря на повышение потребляемой мощности.
В результате за счет увеличения количества мелющих
тел и окружной скорости с 10,8 до 12 м/с в последующих
испытаниях потребляемая мощность еще больше возросла. При этом максимальная температура не превысила 60 °C. Была проведена дальнейшая оптимизация распределения времени пребывания продукта путем комбинирования прохода для предварительного измельчения
при повышенной скорости выхода и второго прохода
продукта при пониженной скорости выхода. В результате получили материал, имеющий значительно лучшие
характеристики по сравнению с предоставленным стандартом (блеск, укрывистость и прозрачность). Скорость
прохода продукта увеличилась с 60 до 103 кг/ч (примерно на 72 %). Одновременно было достигнуто снижение необходимой удельной энергии более чем на 40 % —
с 351 до 204 кВт/т (рис. 4).
СиСТЕМа ОпТиМизации С ГаРаНТиРОВаННЫМ
ЭКОНОМиЧЕСКиМ ЭФФЕКТОМ
Аналогичные результаты испытаний, проведенных с раз­
личными продуктами, подтверждают описанный экспери­
мент. Поэтому компания предлагает своим клиентам — вла­
дельцам бисерных мельниц — специальную систему опти­
мизации, включающую следующие опции:
ä систему измельчения с дисками Tetranex, оптимизированную для работы с увеличенной потребляемой мощностью и проходом продукта;
ä оптимизированную систему охлаждения, доступную
для моделей мельниц до LME 60, гарантирующую более
низкие температуры продукта даже при самой высокой
50
90
40
80
30
20
70
10
60
0
1
2
3
Температура продукта на выходе, С
60
100
Производительность, кг/ч
160
70
140
120
100
80
Удельное энергопотребление, кВт/т
110
60
4
Номер испытания
Объем продукции
Удельное энергопотребление
Температура продукта на выходе
Рис. 4. Увеличение производительности с одновременным снижением удельного энергопотребления, необходимого для производства красной печатной краски для упаковки
ЛакоКрасочная Промышленность
производительности мельницы (самой высокой потребляемой мощности).
Эталонное измельчение можно провести на существую­
щей измельчающей системе, а после модернизации обору­
дования будет выполнена проверка работы машины. Про­
цесс анализируют совместно со специалистами компании
для выявления потенциала дополнительной оптимизации
(например, проводить ли предварительное диспергирова­
ние или доработать параметры машины). После этого будут
предложены рекомендации по выбору оптимальных мелю­
щих тел.
Модернизация существующих установок ведет к замет­
ному увеличению производительности машины, в большин­
стве случаев более чем на 50 %.
ОпТиМизация пОВЫШаЕТ пРОизВОДиТЕЛЬНОСТЬ
и СНиЖаЕТ пОТРЕБЛЕНиЕ ЭНЕРГии
Измельчение пигментов, в частности при производстве
ЛКМ, с помощью бисерных мельниц является традиционной
технологией.
Разработка дисков Tetranex с новой геометрией дает
возможность успешно совмещать преимущества проходных мельниц (большое количество мелющих тел) и штифтовых мельниц (узкий разброс скорости мелющих тел).
Это позволяет повысить потребляемую мощность с одновременным увеличением количества эффективных соударений мелющих тел и частиц продукта в мельнице.
Экономический эффект для всех пользователей достигается за счет увеличения прохода продукта при одновременном снижении требуемого удельного энергопотребления и значительном уменьшении производственных
затрат.
Это было доказано в ходе длительных промышленных испытаний на реальных продуктах при производстве конкретных ЛКМ. С применением полного оптимизационного пакета выпуск продукции на существующих
установках заказчика увеличивался в некоторых случаях более чем на 70 %. Во время работы удельное энергопотребление снижалось в некоторых случаях более чем
на 50 %.
Литература
1. Stehr N. Zerkleinerung und Materialtransport in einer Rühr­
werkskugelmühle, Dissertation, TU Braunschweig, 1982.
2. Weit H. Betriebsverhalten und Maßstabsvergrößerung
von Rührwerkskugelmühlen, Dissertation, TU Braun­
schweig, 1987.
3. Kwade A. Autogenzerkleinerung von Kalkstein in Rühr­
werkmühlen, Dissertation, TU Braunschweig, 1996.
4. Joost B., Kwade A. Feinstzerkleinerung in Rührwerks­
mühlen, Das Keramiker­Jahrbuch, 1996.
5. Becker M. Zerkleinerung keramischer Rohstoffe und Si­
mulation der Zerkleinerung in Rührwerkskugelmühlen,
Dissertation, TU Braunschweig, 1999.
6. Stender H.-H. Einluss von Größe und Bauart auf die Zer­
kleinerung in Rührwerkskugelmühlen, Dissertation, TU
Braunschweig. 2002.