1.1. Stand der Technik

Das nassmechanische Sortieren von Stoffen nach ihren spezifischen Gewichten mit Setzmaschinen, auch Nasssetzen genannt, ist ein seit Jahrhunderten bekanntes Aufbereitungsverfahren. Eingesetzt wird es in vielen Bereichen, vorzugsweise aber der Kohle-, Erz- und Kiesaufbereitung.

Gerade in den letzten Jahren gewinnt dieses Verfahren zunehmend für Recyclingprozesse an Bedeutung. Als Gründe dafür sind vor allem die Verknappung und Verteuerung der Rohstoffe sowie immer strenger werdende Gesetze im Bereich des Umweltschutzes zu nennen, wodurch die Rückgewinnung von Wertstoffen durch Trennung von Hausmüll, Schrott, Schutt usw., interessant und profitabel wird. Dadurch erweitert sich die Palette der Anwendungsgebiete für das nassmechanische Dichtesortieren ständig. Sie reicht mittlerweile von der Aufbereitung kontaminierter Böden [1-3] über das Bauschuttrecycling bis [3-11] zur Abtrennung von Polystyrol aus geschredderten Haushaltsgeräten [3,11,12] und der Aufbereitung von Bleiakkuschrott [13].

Steigende Ansprüche an die Sortierergebnisse führten in jüngerer Vergangenheit dazu, dass die Setzmaschinen technisch kontinuierlich verbessert wurden.

Das betrifft vor allem einzelne Komponenten der Setzmaschinen wie die Wehrsteuerung, die Ausführung der Membran zwischen stationären und beweglichen Anlagenteilen. Das eigentliche Werkzeug des Setzvorganges – die Pulsation des Wasserstromes – wurde kaum in die Überlegungen zur Verbesserung einbezogen. Die Entwicklung der Methoden zur verfahrenstechnischen Auslegung von Setzmaschinen sind wenig befriedigend. Zwar versuchen Hochschulen und Forschungsinstitute bereits seit Jahrzehnten den Nasssetzprozess mathematisch zu beschreiben, jedoch ist dies, trotz vielversprechender Ansätze, bis heute nicht in der Weise gelungen, dass aus den gewonnenen Erkenntnissen ein Konzept zur Auslegung von Setzmaschinen abgeleitet werden kann.

So sind die Hersteller von Setzmaschinen nach wie vor mit dem Problem konfrontiert, dass sie für ihr Produkt die maschinen-und verfahrenstechnische Gewährleistung übernehmen müssen. Sie benötigen eine Basis, die verfahrenstechnische Auslegungen für definierte Aufgabenstellungen ermöglicht. Hierzu dienen i.d.R. Erfahrungen aus der Praxis und Untersuchungsberichte, in denen z.B. dokumentiert ist, welchen Einfluss verschiedene Parameter wie Partikelgröße, Partikelform, Dichte usw., auf das verfahrenstechnische Ergebnis haben. Häufig sind die Aussagen in solchen Unterlagen jedoch nur unzureichend quantifiziert, manchmal sogar nur qualitativ. Erfahrung und fundierte Kenntnisse über die Hintergründe der verfahrenstechnischen Prozesse ermöglichen es dem Fachmann aber trotzdem, eine mehr oder weniger genaue quantitative Aussage über die Größe und Konfiguration der auszulegenden Maschine zu machen. Fehlt allerdings ein gültiges mathematisches Modell, dann besteht die Gefahr, dass unterschiedliche Fachleute, trotz gleicher, aber interpretierbarer Informationen, zu unterschiedlichen Ergebnissen gelangen. Ohne Modell sind neu hinzugewonnene Erkenntnisse nur schwer zu integrieren. Das gilt ganz besonders, wenn der Setzprozess in seinen kinetischen Parametern verändert wird, wie im Projekt vorgesehen. Ein einfacher Rückgriff auf vorhandene Daten und Erfahrungen ist dann ausgeschlossen. Vielmehr kann dann nur versucht werden, durch eine Modellierung die benötigten Informationen für verfahrenstechnische Auslegungen zu erhalten.

1.2. Zielsetzung

Das zunehmend an Bedeutung gewinnende aufbereitungstechnische Verfahren des nassmechanischen Sortierens von Stoffen nach ihren spezifischen Gewichten ist Anlass für diese Forschungsarbeit. Das Entwicklungsziel bestand darin, eine Setzmaschine zu entwickeln, bei welcher durch Veränderung der wirkenden Fluidströmung Verbesserungen des Setzergebnisses erreicht werden. Die Bauhaus-Universität hat dabei laut Arbeitsprogramm folgende für die Prozessmodellierung notwendigen Entwicklungsschritte zu bearbeiten:

Schritt 1: Zusammenfassung des aktuellen Wissensstands

Obwohl ein umfangreiches Literaturangebot über nassmechanisches Sortieren von Stoffen nach ihren spezifischen Gewichten mit Setzmaschinen zur Verfügung steht, war es bisher nicht möglich, sich darüber umfassend und ohne aufwendige Literaturrecherchen zu informieren. In den Fachbüchern zu diesem Thema werden häufig nur die Funktionsweise und ausgewählte Anlagenbeispiele beschrieben. Es soll deshalb der aktuelle Wissensstand – insbesondere unter Berücksichtigung der Literatur aus Osteuropa (Russland, Polen) - zusammengefasst werden.

Schritt 2: Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen

Hier stehen Betrachtungen zur Bewegung der Partikel im Setzbett während der einzelnen Phasen des Setzvorganges im Vordergrund. Gleichzeitig wird versucht, die bisherigen Ansätze unterschiedlicher Autoren zur Modellierung zusammenzufassen und gegebenenfalls in die eigene Modellierung einfließen zu lassen.

Schritte 2 und 3: Planung, Vorbereitung und Durchführung von Vorversuchen mit einer Modellsetzmaschine

Die bisher kaum betrachteten Wirkungen nicht harmonischer Schwingungen auf den Setzvorgang werden experimentell an Stoffgemischen aus dem Recyclingsektor untersucht.

Schritte 6: Prozessmodellierung

Damit eine optimale Abstimmung von Setzmaschinen auf die jeweilige Aufgabenstellung und eine gezielte Weiterentwicklung ermöglicht werden, soll ein mathematisches Modell zur Beschreibung des Nasssetzprozesses auf Basis theoretischer Betrachtungen und empirischer Untersuchungen entwickelt werden. Um die Arbeit mit dem mathematischen Modell zu erleichtern, soll es in Form eines Computerprogramms aufbereitet werden.

Schritt 9: Versuche mit dem Prototypen der Nasssetzmaschine

Auf Basis der im Projektverlauf gewonnenen Erkenntnisse soll eine optimierte Setzmaschine zur nassmechanischen Sortierung von Stoffen nach ihren spezifischen Gewichten entwickelt werden. An dem zu realisierenden Prototyp soll das Prozessmodell überprüft werden.

Schritt 10: Zusammenfassung aller Ergebnisse und Veröffentlichungen in der Fachpresse

Die Untersuchungsergebnisse sowie das mathematische Modell zur Auslegung von Setzmaschinen sollen veröffentlicht und somit einem großen Kreis von Fachleuten der Aufbereitungstechnik zur Verfügung gestellt werden.