ジェットミリング技術を応用して工程効率を向上

Kyle Shanley 氏、プロセス エンジニア、NETZSCH Premier Technologies LLC | 2023 年 3 月 31 日

粒径縮小の世界では、ジェットミリングは常に微細な粒子を実現する理想的な手段でした。 ジェットミルは、粉砕エネルギーの源である圧縮ガスをノズルを通して膨張させ、高速ガスジェットを生成することから名付けられました。 この基本技術を使用した装置設計には多くのバリエーションがありますが、内部分級を備えた最新の流動層ジェットミルは、他のタイプのジェットミルに比べて多くの利点を示しています。

材料の層内で対向ジェットを使用し、PSD (粒度分布) トップ カットを制御するために内蔵の動的空気分級機を使用します。 この構成により、流動床内で粒子間の高速衝突が発生しますが、ミルの内面との高速接触が制限されます。 このため、これらのミルは、過度の機械摩耗や材料の汚染を生じることなく、さまざまな硬度や摩耗性の材料を取り扱うのに最適であり、高純度またはきれいな色を必要とする材料に最適です。 ジェットの速度もあらゆるフライス技術の中で最も高く、材料を最高級の PSD まで粉砕することができます。 また、粉砕手段としてガスを使用しているため、温度管理が非常に容易で、ミル内の温度上昇がほぼゼロです。

ジェットミルはあらゆる粉砕技術の中で最も柔軟で多用途であることは間違いありませんが、特定の用途や業界から締め出されていることがよくあります。 従来のジェットミリングプロセスは、多くの場合、250℃で約 7 barg の粉砕ノズル圧力で操作されます。 エアコンプレッサーは、この圧力と温度で圧縮空気を生成するために、かなりの量のエネルギーを使用する必要があります。 空気がオイルフリーで乾燥している必要がある場合は、さらに多くのエネルギーが使用されますが、これはジェットミリングプロセスでは一般的です。 このため、資本投資コストやエネルギーコストが高いため、多くのプロセスの中で最も用途が広く有益な粒径縮小方法が残ります。 このため、ジェットミリングは高価値の材料、最高級の PSD を必要とする材料、またはミリングに高エネルギーを必要とする材料のみに使用されるという多くの先入観が生じています。 しかし、真実は、ジェットミルはさまざまな方法で操作でき、歴史的にこのテクノロジーから遠ざかっていた多くの用途に最適であるということです。 ここでは、流動層ジェットミルに焦点を当てて、幅広い用途に適合する効率的なジェットミリングプロセスを作成する可能性を検討します。

ジェットミリングプロセスのエネルギー効率とコストを改善する方法を見つけたい場合は、主なエネルギー消費源であるエアコンプレッサーに注目する必要があります。 空気の圧縮は本質的に効率的なプロセスではないことは業界ではよく知られており、多くの高圧コンプレッサーの効率は 40 ～ 60% の範囲にあります。 これに対処するために、標準的な 2 ステージのオイルフリー エアコンプレッサーに注目します (図 1)。 所望の圧力と温度に達するために、周囲の空気はまず約 4 barg まで圧縮され、そこで約 2,000 ℃まで加熱されます。 この空気は冷却され、再び圧縮され、最大 8.0 barg に達し、再び約 1,600 ℃ (正確な値は異なる場合があります) まで加熱されます。 周囲温度の研削空気が必要な場合は、この空気を再度冷却する必要があるため、高圧の周囲温度の圧縮空気を得るには 4 つのステップが必要になります。 では、エアコンプレッサーからこれらのステップの一部を取り除き始めたらどうなるでしょうか?

図 1: オイルフリーのエアコンプレッサーステージ

2 つの主なシナリオが考えられます。最終冷却段階を削除して最大 8 barg、1,600 ℃の空気を得る方法、または両方の冷却段階と第 2 圧縮段階を削除して、最大 4 barg、2,000 ℃ の空気を得る方法です。 しかし、これがジェットミルの動作にどのような影響を与えるかを理解する必要がありますか? 以下に、一般的な設計の流動層ジェットミルで達成できるいくつかの値を示します。

図 2: NETZSCH CGS 50 流動層ジェットミルのジェットミルシナリオ