Praktikum zur Feststoffabtrennung am Hydrozyklon

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1 Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau Praktikum zur Feststoffabtrennung am Hydrozyklon Dipl.-Ing. Silke Röntzsch Freiberg,

2 Inhalt 1. Zielstellung 2. Versuchsanlage 3. Vorüberlegungen 4. Durchführung 5. Auswertung 6. Protokoll 7. Literatur 2

3 1. Zielstellung Auseinandersetzung mit der Hydrozyklon-Technologie Bestimmung der Trenneigenschaften des Hydrozyklons Abschätzung anhand empirischer Gleichungen Durchführung von Versuchen 3

4 2. Versuchsanlage Manometer Oberlauf Hydrozyklon Manometer Pumpe Manometer Einlauf Rührwerk mit Motor Suspensionsbehälter Durchflussmessgerät Steuer- und Bedieneinheit Probenahmestelle Oberlauf Dreiwegehahn zur Zirkulation in kleinem Kreislauf Kreiselpumpe Klarwasseranschluss 4

5 2. Versuchsanlage Abmaße Hydrozyklon [Studienarbeit R.Ebert] 5

6 3. Vorüberlegungen Wie funktioniert ein Hydrozyklon grundlegend? Gibt es unterschiedliche Ausführungen? Warum? Wozu werden sie benutzt? Einsatzgebiete? Hydrozyklone können in zwei Regimen betrieben werden: Schirm- und Strangaustrag Wo liegt der Unterschied? Wie werden Kennwerte einer Trennung (Massenausbringen, Trennkurve, Trennkorngröße, Trennschärfe) berechnet und was sagen die Kennwerte jeweils aus? Welche Daten sind für die Auswertung notwendig? Tabelle Funktionsweise und Bedienung der Versuchsanlage 6

7 3. Vorüberlegungen Strömungsverhältnisse tangential axial radial v ax = 0 Größte Geschwindigkeit Nimmt mit kleinerem D zu Max. in Nähe des Luftkerns Zwei Bereiche: Außen nach unten Innen nach oben Max. an Wand, am Luftkern = 0 Flüssigkeit nach innen Feststoff nach außen 10

8 3. Vorüberlegungen Berechnungsmodelle Sehr komplexe Prozesse bisher kein allgemeingültiges Modell Fast nur empirische Gleichungen Stark vereinfachte Modelle: Theorie des Kräftegleichwichtes Verweilzeittheorie Theorie der turbulenten Querstromklassierung F p Fliehkraft des Partikels F s Widerstandskraft durch Strömung 11

9 3. Vorüberlegungen Austragsarten Strangaustrag Übergangsbereich Schirmaustrag Dichtstromtrennung (φ s >10%) Trennschärfe gut Grobgutausbringen schlecht Dünnstromtrennung (φ s =5-10%) Grobgutausbringen [%] hoch Trennschärfe schlecht 12

10 3. Vorüberlegungen Oberlauf,,, Suspensions-Aufgabe,,,, Unterlauf,,, 13

11 3. Vorüberlegungen Abschätzung der optimalen Aufgabemenge Autor Empirische Formel Erläuterungen BUNGE,, D [mm], Q A [m 3 /h], p [bar] DAHLSTROM (IN BEDNARSKI) 0,763, K D = 17,6 für ε = 20 K D = 20,5 für ε = 15 Q A [m 3 /h], p [Pa], D [m] TRAWINSKI 3600 K T 0,5 für ε = Q A [m 3 /h], p [Pa], D [m], ρ [kg/m 3 ] FONTEIN 31,933 Q A [m 3 /h], p [Pa], D [m] LUCKERT 1000 Q A [m 3 /h], p [Pa] 14

12 3. Vorüberlegungen Abschätzung Volumensplit Autor Empirische Formel Erläuterung TRAJAN 1,1 Dünnstromtrennung LUCKERT Dünnstromtrennung m=3bis4 15

13 3. Vorüberlegungen Trennfunktion: = Wahrscheinlichkeit, mit der ein Teilchen als Grobgut abgetrennt wird 0 T(d) 1 Trennschärfe: Je steiler die Trennfunktion, desto schärfer die Trennung 16

14 3. Vorüberlegungen Abschätzung der Trennkorngröße Autor Empirische Formel Erläuterung BRADLEY 3,2 0,43 α = 0,45; n = 0,8 η [Pa s], D [m], Q [m3/s], ρ [kg/m3], dt [m] BUNGE 12 1 D [mm], φsa [%], ρs [g/cm3] Abschätzung der Trennschärfe Autor Empirische Formel Erläuterung LUCKERT κ 3 3 Dünnstromtrennung 17

15 3. Vorüberlegungen Versuchsplan Versuch Nr. 1 2 Erläuterung Wie gemessen? Austragsform Q A l/min Volumenstrom Aufgabe Einstellen Ablesen am Durchflussmessgerät Q U l/min Volumenstrom Unterlauf Auslitern Q O l/min Volumenstrom Oberlauf Q A -Q U p A bar Einlaufdruck Ablesen am Manometer p O bar Oberlaufdruck Ablesen am Manometer ρ A kg/m 3 Dichte Aufgabesuspension ρ O kg/m 3 Dichte Oberlaufsuspension Dichtemessgerät ρ U kg/m 3 Dichte Unterlaufsuspension q A (d) l/min Korngrößenverteilung Aufgabe q U (d) l/min Korngrößenverteilung Unterlauf Partikelmessgerät im Labor q O (d) l/min Korngrößenverteilung Oberlauf 18

16 4. Durchführung Gruppen von 5 Studenten/innen 19

17 4. Durchführung Korngrößenanalyse Laser-Streulichtspektrometer Horiba LA-300 (Retsch Technology) Messprinzip: Statische Laserlichtstreuung (Laser-Diffraktometrie, Laserbeugung) 20

18 4. Durchführung Messprinzip 21

19 4. Durchführung 22

20 4. Durchführung 23

21 5. Auswertung Grobgutanteil/Abscheidegrad Feingutanteil/Durchlassgrad 1 24

22 5. Auswertung Korngrößenanalyse Dichtefunktion (Massenanteil q(d) für Partikeldurchmesser(intervalle) d) Flächeninhalt = 1 Quantitativer Vergleich der Dichtefunktionen von Aufgabe, Oberund Unterlauf Normierung Normierte Dichtefunktionen q(d) q(d) q A (d) f q O (d) g q U (d) d 25

23 5. Auswertung 1,0 Q = 27,6 l/min g = 0,68; d 50 = 66 µm; κ = 0,6 Trennfunktion 0,9 0,8 0,7 QA(d) [ ] QU(d) [ ] QO(d) [ ] T(d) [ ] Trennkorngröße 0,6 0,5 (T) 0,4 0,3 Trennschärfe Technische Trennungen im Bereich 0,3 κ 0,8 0,2 0,1 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0 d [µm] 26

24 6. Protokoll Jede/r eigenständiges Protokoll Beschreibung der Grundlagen (inkl. Spülungsaufbereitung) Erstellung Versuchsplan (Abschätzung anhand empirischer Gleichungen) Versuchsdurchführung Versuchsauswertung Diskussion der Ergebnisse 27

25 7. Literatur BEDNARSKI, S. (1968): Vergleich der Methoden zur Berechnung von Hydrozyklonen. In: Chemische Technik I, Vol. 20, S BRADLEY, D. (1965): The Hydrocyclone. In: Danckwerts, P.V. (Hrsg.): International Series of monographs in chemical engineering. Bd. 4, Pergamon Press, Oxford, S BRAUN, T. (1989): Theoretische und experimentelle Untersuchungen des Einflusses der Feststoffkonzentration und der Partikelgrößenverteilung auf das Trennverhalten von Hydrozyklonen. Dissertation. TU Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik. BUNGE, R. (2012): Mechanische Aufbereitung Primär- und Sekundärrohstoffe. Wiley-VCH- Verlag, Weinheim. Fontain, F.J. (1961): Wirkung des Hydrozyklons und des Bodensiebes sowie deren Anwendungen. In: Aufbereitungstechnik II, S.85. LUCKERT, K. (2004): Handbuch der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung. Vulkan-Verlag. PLITT, L.R. (1976): Mathematical model of the hydrocyclone classifier. CIM Bulletin 69, S TRAJAN, G. (1961): Some theoretical questions on classifying and separating hydrocyclones. Acta techn. Acad. Sci. Hung. 32, S TRAWINSKI, H. (1953): Der Hydrozyklon als Hilfsgerät zur Grundstoff-Veredelung. Chemie Ingenieur Technik, Vol. 25, Issue 6, S