Messer Technogas s.r.o.: Kryogenes Mahlen in der Kunststoffindustrie

Eine weitere Gruppe bilden Gewürze, Samen, Lebensmittelzusatzstoffe und Arzneimittel. Bei ihrem Mahlen treten am häufigsten Schwierigkeiten auf, die durch den Temperaturanstieg während des Mahlens verursacht werden. Dies führt zum Verlust von Aroma und Geschmack bei Gewürzen wie Pfeffer, Muskatnuss, Ingwer, Kardamom oder Gewürznelken. Außerdem können die Stoffe zusammensintern und die Mühle zusetzen. Nicht zuletzt müssen häufig das Oxidationsrisiko und die Explosionsgefahr des pulverförmigen Produkts beherrscht werden.

Vorteile des kryogenen Mahlens

Diese Probleme lassen sich einfach vermeiden, wenn das Mahlen bei niedrigen Temperaturen erfolgt. Zur Kühlung des Materials wird flüssiger Stickstoff (–196 °C) verwendet, mit dem das Material auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der es versprödet. Anschließend wird es sofort in die Mühle dosiert. Am Beispiel von SBR/NR-Kautschuk demonstrieren wir die Vorteile des kryogenen Mahlens gegenüber dem Mahlen unter üblichen Bedingungen. Nach dem Abkühlen auf etwa –100 °C wird SBR/NR in eine Prallmühle (z. B. eine Stiftmühle) dosiert. Der Durchsatz der Mühle steigt bei unveränderter elektrischer Leistungsaufnahme auf bis zu das Dreifache. Gleichzeitig werden eine deutlich höhere Mahlfeinheit und eine sehr enge Partikelgrößenverteilung erreicht. Das Diagramm in Abbildung 1 zeigt die Partikelgrößenverteilung von SBR/NR. Die Kurven verdeutlichen den Vergleich der Ergebnisse: Der D50-Wert beim Mahlen bei normaler Temperatur beträgt ca. 480 µm, während beim Mahlen nach der Kühlung mit Stickstoff der Wert D50 = 180 µm beträgt. Der spezifische Verbrauch an flüssigem Stickstoff hängt von der Materialart und der gewünschten Temperatur ab; in diesem Fall beträgt er etwa 1 kg pro 1 kg pulverförmigem Produkt.

Partikelgrößenverteilung von SBR/NR

Neben der deutlichen Steigerung des Mühlendurchsatzes und besseren Eigenschaften des pulverförmigen Produkts bieten niedrige Temperaturen weitere Vorteile. Sie verhindern das Schmelzen und Zusammensintern des Materials, die beim Mahlen ohne kryogene Kühlung häufig auftreten und zu häufigen Reinigungen sowie einer verkürzten Lebensdauer der Anlage führen. Einige Materialien lassen sich ohne Kühlung überhaupt nicht in die gewünschte Pulverform vermahlen. Ein weiterer Vorteil ist die Bildung einer inerten Atmosphäre durch das Verdampfen des flüssigen Stickstoffs, die eine Oxidation des gemahlenen Materials und die Entstehung explosiver Gemische aus feinen Partikeln verhindert.

Kryogenes Mahlen zur Trennung von Verbundwerkstoffen

Mit herkömmlichen Mahlverfahren ist es sehr schwierig, die einzelnen Bestandteile von Verbundwerkstoffen zu trennen, beispielsweise faserverstärkte Thermoplaste (Abdeckungen, Schläuche, verschiedenste verstärkte Gummierzeugnisse usw.) oder metallisierte Kunststoffteile (Sanitärprodukte, Automobilteile usw.), siehe Abbildung 2. Durch den Einsatz kryogener Temperaturen wird dies aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der unterschiedlichen Sprödigkeit der einzelnen Materialien ermöglicht, wobei die einzelnen Materialarten beim eigentlichen Zerkleinern oder Mahlen voneinander getrennt werden. Im nächsten Schritt werden die einzelnen Bestandteile separiert und können so erneut genutzt – recycelt – werden.

Schwierige Trennung der einzelnen Bestandteile von Verbundwerkstoffen

Technische Lösung

Das Material wird in einen isolierten Schneckenförderer dosiert, wo es durch Versprühen von flüssigem Stickstoff über die gesamte Länge des Förderers so abgekühlt wird, dass die gewünschte Materialtemperatur erreicht wird. Anschließend wird es der Mühle zugeführt. Die Menge des flüssigen Stickstoffs wird anhand der Temperatur in der Mühle geregelt. Das Prozessschema ist in Abbildung 3 dargestellt.

Prozessschema des kryogenen Mahlens

Alternativ kann Stickstoff direkt in die Mühle dosiert werden, ohne das Material vorzukühlen. Diese Möglichkeit wird genutzt, um die Erwärmung zu unterdrücken, was zur Stabilität des Mahlprozesses und zur Verbesserung der Produktqualität beiträgt. Da das Material nicht vollständig durchgekühlt wird, führt diese Variante nicht zu einer deutlichen Steigerung des Mühlendurchsatzes wie in dem Fall, in dem das Material vorgekühlt wird.

Anlagen für Technikumsversuche

Messer verfügt über ein Versuchslabor zur Durchführung von Technikumsversuchen zum kryogenen Mahlen mit Kundenproben. Zu diesem Zweck ist dort eine gegenläufige Stiftmühle mit einem Durchsatz von 5 bis 200 kg/h installiert (abhängig von Art und Qualität des Materials). Die erreichte Partikelgröße liegt im Bereich von 20 bis 800 µm. Die Mühle ist mit einer kryogenen Anlage ausgestattet, die den industriell eingesetzten Anlagen ähnelt. Zur Verfügung steht auch eine Schneidmühle mit kryogener Kühlung, die bei Anforderungen an eine größere Partikelgröße des Produkts eingesetzt wird. Die Anlagen sind mit Messtechnik ausgestattet, die es ermöglicht, während des Versuchs alle wichtigen Parameter wie Mühlendurchsatz, Stromverbrauch und Verbrauch an flüssigem Stickstoff auszuwerten. Die verarbeiteten Materialproben werden nach der Messung der Partikelgrößenverteilung an den Kunden zurückgesandt. Auf Grundlage eines Gesprächs mit dem Kunden werden die Betriebs- und Investitionskosten für die Umsetzung eines dauerhaften Betriebs abgeschätzt. Häufig lässt sich nach bestimmten Anpassungen die vorhandene Mühle nutzen, sodass nicht immer eine neue angeschafft werden muss. Diese Variante kann durch einen Probebetrieb des kryogenen Mahlens direkt beim Kunden auf dessen Anlage geprüft werden. Dabei stellen wir eine kryogene Anlage bereit und installieren sie, bestehend aus einem isolierten Schneckenförderer, Ventilen, einer Steuereinheit für die Stickstoffdosierung, Schlauchverbindungen und einem mobilen Behälter für flüssigen Stickstoff.   

Fazit

Kryogenes Mahlen ist eine Technologie mit großem Potenzial. Aufgrund steigender Anforderungen an die Qualität pulverförmiger Produkte sowie des zunehmenden Drucks hinsichtlich des Materialrecyclings und der Sicherheit rückt sie immer stärker in den Fokus vieler Unternehmen aus den Bereichen Kunststoff, Recycling, Chemie und Lebensmittel. Messer verfügt über langjährige praktische Erfahrung und zahlreiche Referenzen und bietet damit die Sicherheit eines zuverlässigen Partners. Gerne besprechen wir mit Ihnen alle Aspekte kryogener Technologien und der damit verbundenen Versorgung mit flüssigem Stickstoff oder anderen technischen Gasen.

Dipl.-Ing. Oliver Dietrich
Messer SE & Co. KGaA

Ing. David Bek, Ph.D.
Messer Technogas s.r.o.
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