Praktikum zur Vorlesung Aufbereitungstechnik 2 - Modulnummer Praktikumsanleitung

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1 Praktikum zur Vorlesung Aufbereitungstechnik 2 - Modulnummer Praktikumsanleitung Versuch: Trennung im Windsichter Aufgabenstellung: Es ist der Trennerfolg eines Aufgabegutes unterschiedlicher Zusammensetzung in einem Zick-Zack-Sichter zu ermitteln (Baustoffrecycling) Verantwortlicher Mitarbeiter: Dipl.-Ing. C. Glaser Fak. 4, LS Aufbereitungstechnik Siemens-Halske-Ring 8 Telefon: (03 55)

2 1. Grundlagen 1.1 Verwendete Formelzeichen und Indizes Symbol Maßeinheit Bezeichnung A P mm 2] Anströmfläche eines Partikels A j Anreicherungsverhältnis c L % Partikelkonzentration im Leichtgutaustrag c S % Partikelkonzentration im Schwergutaustrag c W Beiwert des Strömungswiderstandes d mm, m Durchmesser, Partikeldurchmesser d T mm Trennpartikelgröße F N Kraft F W N Strömungswiderstand g m/s 2 Erdbeschleunigung m kg Masse Rm Masseausbringen T % / - Trennfunktion v m/h Geschwindigkeit u m/s Fluidgeschwindigkeit im festen Bezugssystem u R m/s Fluidgeschwindigkeit relativ zum Partikel z theoretische Trennstufenzahl µ % / - Masseanteile κ - Kornstreuung ρ kg/m 3 Dichte Indizes: A F G P L S Aufgabegut Feingut Grobgut Partikel Leichtgut Schwergut

3 1.2. Theoretische Grundlagen Unter dem Vorgang des Windsichtens versteht man im Allgemeinen das Trennen (Klassieren, Sortieren) eines Haufwerkes durch Ausnutzung unterschiedlicher Sinkgeschwindigkeiten der Feststoffteilchen in einem Luftstrom. Im Windsichter erfolgt eine Trennung nach dem Gewicht der Teilchen. Verantwortlich ist hierfür die Gewichtskraft. F G = m g bzw. (1a) F G 3 π d P = ρ P g 6 (für runde Partikel) (1b) Aus Gleichung (1b) ist ersichtlich, dass diese Kraft sowohl vom Durchmesser, als auch von der Dichte des Partikels bestimmt wird. Bei der Sichtung eines Haufwerkes, welches aus Partikeln gleicher Dichte besteht, erfolgt die Trennung nach der Partikelgröße. Diese Trennung wird als Klassierung bezeichnet. Eine Trennung von Partikeln nach weiteren anderen, verschiedenen Merkmalen stellt eine Sortierung dar. So kann gemäß Gleichung (1b) bei Vorliegen eines Haufwerkes, bestehend aus Partikeln mit annähernd gleicher oder verschiedener Korngröße, aber unterschiedlicher Dichte im Windsichter eine Sortierung nach der Dichte der Partikel vorgenommen werden Dichtetrennung (Dichtesortierung) Der Zick-Zack-Windsichter ist ein Vielfach-Querstromsichter ohne Einbauten. Er besteht aus beliebig vielen Gliedern von rechteckigem Querschnitt und dient dem Klassieren und/oder dem Sortieren von Haufwerken. In der Stoffverarbeitungsindustrie findet er Anwendung beim Abtrennen eines Endproduktes bestimmter Feinheit, dem Entlasten nachgeschalteter Zerkleinerungsapparate durch Entfernen der im Aufgabe- oder Zerkleinerungsgut enthaltenen Feinanteile sowie zum Vorklassieren für anschließende, weitere Sortierverfahren. Die Trenngrenze beträgt etwa 0, mm und lässt sich durch Wahl der Gliederzahl einstellen. Ziel eines Trennprozesses ist das Zerlegen eines Stoffgemisches in mindestens zwei Produkte, deren Bestandteile sich hinsichtlich der für die Trennung herangezogenen Eigenschaft (Trenneigenschaft, Trennmerkmal) unterscheiden. Bei der Windsichtung erfolgt die Trennung des Stoffgemisches auf Basis der Sinkgeschwindigkeit der Partikel. Partikel, deren Sedimentationsgeschwindigkeit v Sed kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit v Luft eines aufwärts gerichteten Sichtluftstromes werden, nach oben als Fein- oder Leichtgut ausgetragen.

4 Partikel mit v v Sed > Luft fallen als Grob- oder Schwergut nach unten. In Schwebe gehaltene Partikel ( v v Sed = Luft ) werden dem Grobgut zugeordnet. Das Trennmerkmal ist die Sinkgeschwindigkeit bzw. das Gewicht der Partikel (unterschiedliche Dichte bei gleicher Korngröße oder unterschiedliche Korngröße bei gleicher Dichte) Theoretische Modellierung des Trennprozesses /nach 5/ Stationäre Sinkgeschwindigkeit Partikel, die von einem Fluid umströmt werden, setzen diesem einen Widerstand entgegen, der von der Fluiddichte ρ f, der angeströmten Fläche A p als Funktion der Partikelgröße d und Partikelform, der Anströmgeschwindigkeit des Fluides relativ zum Partikel u r sowie vom dimensionslosen Widerstandsbeiwert c W, der wiederum eine Funktion sowohl der Art der Umströmung (c W = f(re(u)), laminar, turbulent) als auch der Partikelform ist, abhängt: (2) Für das Sinken eines kugelförmigen Partikels in einem ruhenden Fluid u = 0 und u r =u v=-v s kann das Kräftegleichgewicht aus Auftrieb, Gewicht und Strömungswiderstand als (3) geschrieben werden. Daraus ergibt sich für die Partikelgeschwindigkeit relativ zum Fluid, die im Weiteren als stationäre Sinkgeschwindigkeit v s bezeichnet wird, (4) Als wesentliches Trennmerkmal enthält sie die Partikeleigenschaftgrößen Größe, Dichte und Form gleichwohl auch im Sinne von statistisch verteilten Parametern. Die vektorielle Addition der Fluid- und Sinkgeschwindigkeit liefert für den eindimensionalen Fall die Partikelabsolutgeschwindigkeit v a im ortsfesten Bezugssystem. v A = u v S (5) Das heißt, ein Partikel bewegt sich je nach dem Betrage seiner Sinkgeschwindigkeit mit dem Fluid nach oben (v s < u) oder in entgegen gesetzter Richtung nach unten (v s > u).

5 Gleichfälligkeitsbedingung Im Allgemeinen gilt für die stationäre Sinkgeschwindigkeit: v S = f(ρ S, d, c W ) (6) d.h., es erfolgt die Trennung prinzipiell nach drei Partikeleigenschaften gleichzeitig. Für eine definierte Sortierung, bei der allein die Partikeldichte das Trennmerkmal darstellen soll, müssen deshalb Partikelform und größe durch eine geeignete Vorklassierung näherungsweise konstant gehalten werden. Dies gelingt idealerweise nur mit kugelförmigen Partikeln. Für den Widerstandsbeiwert kann dann im gesamten NEWTON-Bereich, 10³ < Re < 2*10 5, c w 0,44 gesetzt werden und die Sinkgeschwindigkeit ist (7) Berücksichtigt man zusätzlich die Partikelform mit einem von der Sphärizität ψ A (Verhältnis der Oberfläche einer volumengleichen Kugel A S.K zur tatsächlichen Partikeloberfläche A S,P ) abhängigen Formkorrekturkoeffizienten im turbulenten Umströmungsbereich (Re > 2000) (8) (9) sowie die Schwarmbehinderung (φ s Feststoffvolumenanteil) (10) reduziert sich die Partikelsinkgeschwindigkeit gegenüber der von glatten Kugeln: v S,ψ,φ (ρ S )=k ψ *k φ *v S (ρ S ) (11) Der wechselseitige Einfluss von Partikelgröße und dichte ist in der Gl. (7) direkt ablesbar. Im Falle der Trennung von Partikeln unterschiedlicher Dichte ρ s kann das Prinzip der sogenannten "Gleichfälligkeitsklassen", d.h. Klassen gleicher Sinkgeschwindigkeit, wie folgt formuliert werden. Bei konstanter Partikelform sinken "große" und "leichte" Partikel gleich schnell wie "kleine" und "schwere" Partikel.

6 Mit d i... d i+1 als Partikelgröße der Klasse i bis i+1 sowie ρ s,s und ρ s, L als Partikeldichten des Schwergutes (Index S) und des Leichtgutes (Index L) gilt im Falle einer turbulente Umströmung c W,s = const. f(v s ): (12, 13) In Abhängigkeit von variablen Umströmungsbedingungen der Partikel, ausgedrückt durch die Beziehungen und mit der Reynoldszahl folgt allgemein: (14) daraus lässt sich ableiten, dass der Klassieraufwand bei laminarer Umströmung wegen der geringeren Breite der Partikelgrößenklassen (der Exponent ist (α+1)/(3*α) = ½) höher ist, als bei turbulenter Umströmung (der Exponent ist (α+1)/(3*α) = 1) Für die Sinkgeschwindigkeiten, Partikelgrößen und dichten gilt demnach in Abhängigkeit von den Umströmungsbedingungen folgender Zusammenhang: (15) 1.4. Charakterisierung des Trennerfolges Trennungsgrad Für die Kennzeichnung des Trennergebnisses wird vielfach der Trennungsgrad η T als Beschreibung der Fehlausträge angegeben, da hierbei kurzfristig gerade bei betrieblichen Trennungen eine Aussage getroffen werden kann, welche Anteile des Aufgabegutes falsch ausgetragen worden sind.

7 Allgemein wird festgelegt: Der Stoff, der mit dem Luftstrom ausgetragen wird, bezeichnet man als Leichtgut Stoffkomponente C. Im Gegensatz dazu stellt der Stoff, der bei vorgegebener Sichtluftgeschwindigkeit nach unten fällt als Schwergut Stoffkomponente B. Für das Leichtgut ist der Trennungsgrad hierbei definiert als Differenz des Ausbringens des Stoffes C im Leichtgut und des Fehlanteils des Stoffes B im Leichtgut. η T = Masse des Stoffes "C" im Leichtgut Masse des Stoffes " B" im Leichtgut Masse des Stoffes "C" im Aufgabegut Masse des Stoffes " B" im Aufgabegut (16) Für die Stoffanteile im Leichtgut gilt: η T mc,l m B,L = m m (17a) C,A B,A Für die Stoffanteile im Schwergut gilt η T m B,S mc,s = m m (17b) B,A C,A Trennfunktion Die Trennfunktion T(ρ s,j ) wird für den diskontinuierlichen Trennprozess als Verhältnis der Teilmasse einer differentiellen Partikelmerkmalsklasse des Schwerguts zur Teilmasse des Aufgabeguts bzw. für den kontinuierlichen Trennprozess als Verhältnis der entsprechenden Teilmassenströme definiert: (18) Die Trennfunktion gibt im allgemeinen den Masseanteil der im Schwergut befindlichen Partikel einer Wertstoffkomponente k mit der differentiellen Dichteklasse ρ s,j am insgesamt aufgegebenen Gut an. Wenn der interessierende, abzutrennende Wertstoff im Leichtgut enthalten ist, kann auch das Verhältnis von Leicht- zu Aufgabegut als Trennfunktion definiert werden.

8 Bild 1: Darstellung des Trennerfolges mittels Trennfunktion Rechnerische Bestimmung der Trennfunktion Trennfunktionsmodell Für die Berechnung der Trennfunktion wird folgendes Trennmodell angewandt: (19) wird für die Berechnung wie folgt vereinfacht. Da Luft eine 1000mal kleinere Dichte als der Feststoff besitzt (ρ f << ρ S ), gilt, V L V G. Damit berechnet sich das Trennmodell wie folgt: (20)

9 1.5. Literaturhinweise /1/ Schubert, H.; Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Band II, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1978 /2/ Bockhardt, H.-D.; Grundlagen der Verfahrenstechnik für Ingenieure, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart 1997 /3/ Hering, E.; Physik für Ingenieure Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg 2002 (Physikalische Grundlagen) /4/ Stieß, M.; Mechanische Verfahrenstechnik, Band 1, 2. Auflage Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1995 /5/ Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg; Praktikumsanleitung Verfahrenstechnische Bewertung einer mehrstufigen Querstrom-Aerosortierung mineralischer Stoffe 2. Versuchsdurchführung 2.1. Arbeitsunterlagen und Geräte - Windsichteranlage (Anlage 1) - Waage - Aufgabegut: Bauschuttgemisch, bestehend aus: Styropor Dichte ρ P,S = 0,04 g/cm³ Kork Dichte ρ P,S = 0,15 g/cm³ Holz Dichte ρ P,S = 0,7 g/cm³ Granit Dichte ρ P,S = 2,8 g/cm³ 2.2. Beschreibung der Anlage Das zu sichtende Mehrstoffgemisch befindet sich im Vorratsbehälter (1). Ein Ventilator (4) erzeugt den Sichtluftstrom durch Ansaugung durch den Windsichter hindurch. Die stufenlose Einstellung des Sichtluftstromes kann durch mehrere Regulierungsvorrichtungen beeinflusst werden. Für die Grobeinstellung kann die Stellung des Druckregulierschiebers (9) verändert werden. Um feinere Sichtluftstromveränderungen zu erzielen, werden die Einstellungen (1 bis 6) an der Irisklappe (7) und die Ventilatordrehzahl am Schaltschrank (12) angepasst. Der eingestellte Luftvolumenstrom kann mit Hilfe des Diagramms (Anlage 2) über die Irisklappeneinstellung und dem entsprechenden U-Rohrmanometer (10) abgelesen werden. Durch die Dosierrinne (2) wird das Aufgabegut in den Sichtkanal (3) eingetragen.

10 Die Eintragsgeschwindigkeit ist am Schaltschrank (12) einzustellen. Das Schwergut wird im linken Behälter (11), das Leichtgut nach Abtrennung aus dem Sichtluftstrom mittels Aerozyklon (5) im rechten Behälter (11) aufgefangen. Betriebsweise: Füllen des Vorlagebehälters (1) und Behälter verschließen Einspannen der Produktsammelbehälter (11) zum Auffangen des Leicht- und Schwergutes Einschalten des Ventilators (4) und Einstellen der vorgegebenen Luftmenge. Eintragung des Aufgabegutes über Dosierrinne (2) und Durchführung der Sichtung Abschalten des Ventilators (4) Produktentnahme Hinweise: - Den Ventilator immer bei einer Einstellung größer 400 einschalten und danach herunterregeln, eine Einstellung von unter 300 vermeiden - Ein Wiedereinschalten des Ventilators immer erst dann, wenn er vollständig zum Stillstand gekommen ist - Überprüfen, dass die Anlage keine Nebenluft zieht (Deckel des Aufgabetrichters) 2.3. Arbeitsschritte - Wiegen der Einzelkomponenten - Herstellen eines Mehrstoffgemisches aus den Komponenten Styropor, Kork, Holz, Granit - Bestimmen der Anteile der Stoffkomponenten (entsprechend der Dichteklassen) Versuch 1 - Beobachtung des Trennverhaltens des Stoffgemisches bei Variation der Sichtluftgeschwindigkeit durch Verstellen des Sichtluftvolumenstromes. Versuch 2 Stellen Sie den Sichtluftvolumenstrom so ein, dass Sie eine möglichst reine Granitfraktion erhalten ( V & = 80 m³/h) Bestimmung der Anteile Leichtgut und Schwergut (Waage) Manuelle Aussortierung der Fehlausträge und Bestimmung der Anteile (Waage) Die Bestandteile des Schwer- und Leichtgutes werden den festgelegten Dichteklassen (4) zugeordnet.

11 3. Auswertung und Diskussion 3.1. Beschreiben Sie den Einfluss der Sichtluftgeschwindigkeit auf den Trennerfolg (Auswertung Teilversuch 1) 3.2. Bestimmen Sie die wichtigsten verfahrenstechnischen Parameter für den Teilversuch 2: Fluidströmungsgeschwindigkeit im Kanal Luftvolumenstom Massendurchsatz Beladung 3.3. Ermitteln Sie die Verteilungsdichtefunktion Q 3 (ρ) Die Verteilung Q 3 nach der Partikeldichte ist entsprechend der ermittelten Massen für das Aufgabegut, das Leichtgut sowie das Schwergut zu bestimmen. Zeichnen Sie die Verteilungsfunktionen in ein Partikeldichte-Verteilungsfunktionsdiagramm! Berechnen und bewerten Sie folgende Kenngrößen - Gesamtmassebilanz für den Teilversuch 2 - Komponentenbilanz für Granit - Wertstoffausbringen für Granit - Anreicherungsverhältnis für Granit - Trennungsgrad bezogen auf Granit 3.4. Bestimmen Sie die Trennfunktion nach der Partikeldichte und zeichnen Sie diese in ein Partikeldichte-Trennfunktionsdiagramm! Berechnen und bewerten Sie folgende Parameter: - die Trenndichte - die Trennschärfe κ nach Eder - den Trennschnitt 3.5. Berechnen Sie nach Gleichung 20 das Trennmodell und vergleichen Sie dieses mit der für den Teilversuch 2 ermittelten Trennfunktion für jede der 4 Dichteklassen. Variieren Sie die Trennstufenzahl von 1 bis 3 und diskutieren Sie die Ergebnisse!

12 4. Kontrollfragen 4.1. Nennen Sie wichtige Trennmerkmale auf deren Grundlage Sortier- bzw. Klassierprozesse durchgeführt werden können Worin besteht der wesentliche Unterschied zwischen den Prozessen Klassieren und Sortieren? 4.3. Erläutern Sie den Begriff Gleichfälligkeit! 4.4. Unter welchen Trennbedingungen lässt sich ein Stoffgemisch in einem Windsichter trennen? Gehen Sie insbesondere auf die Strömungsbedingungen sowie die Strömungsgeschwindigkeiten ein! 4.5. Welche wichtigen Parameter beeinflussen den Sichtprozess im Windsichter? 4.6. Definieren Sie den Begriff Trennungsgrad (allgemein)!

13 Anlage 1 Schematische Darstellung der Windsichtanlage

14 Anlage 2 Diagramm zur Ermittlung des Sichtluftvolumenstromes

15 Tabelle 2: Berechnung der Dichteverteilung sowie der Trennfunktion Dichte g/cm³ Klasse Klassenmitte Aufgabe Masse Anteil Verteilung m A,j µ a,j Q3 g % % Schwergut Masse Anteil Verteilung m S,j µ S,j Q3 g % % Leichtgut Masse Anteil Verteilung m L,j µ L,j Q3 g % % ,04 0,02 Styropor 2 0, ,15 0,095 Kork 3 0, ,7 0,425 Holz 4 0,7... 2,8 1,75 Granit Klasse Klassenmitte Aufgabe Masse m A,j g Schwergut Masse m S,j g Trennfunktion Messung Modell Tj Tj (z=1) Tj (z=2) Tj (z=3) % % % % 1 0,02 Styropor 2 0,095 Kork 3 0,425 Holz 4 1,75 Granit