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1.3. Wissenschaftliche Grundlagen des SetzprozessesEs ist bekannt, dass eine Kornschicht unter der Wirkung eines aufströmenden Fluids aufgelockert wird. Es ist auch bekannt, dass eine aufgelockerte Schicht, bei der die gegenseitige Teilchenbeeinflussung weitgehend aufgehoben ist, einem stabilen Zustand zustrebt. Bei gleicher Teilchengröße bedeutet das, dass eine Schichtung nach der Teilchendichte erfolgt. Beim Setzprozess wird die Auflockerung durch eine pulsierende Strömung bzw. einen pulsierendem Aufstrom des Trägermediums in der Teilchenschicht erreicht. Das hat sich für die Dichtetrennung am günstigsten erwiesen. Das zu sortierende Gut wird einem Setzgutträger aufgegeben, der aus einem Rost oder Siebbelag besteht. Beim Setzprozess strömt das Fluid periodisch auf und ab, wodurch die Gutschicht bzw. das Setzbett jeweils kurzzeitig aufgelockert wird. In dieser Auflockerungsphase können sich die Teilchen relativ zueinander verschieben, wobei sich die Teilchen mit geringeren Dichten über denen mit der höheren Dichte einordnen. Die sich so ausbildende Schichtung muss bis zum Ende des Setzgutträgers erhalten bzw. verbessert werden. Dort erfolgt dann der Austrag in der Form, dass das Leichtgut über ein Wehr ausgetragen wird, während das Schwergut nach unten abgezogen wird. [4] Der Setzprozess wird in der Regel in verschiedene Phasen unterteilt. Die Kräfte, die während dieser Phasen auf die Partikel wirken und die daraus resultierenden Kräfte sind im Folgenden dargestellt: Beschleunigungsphase In dieser Phase sind die auf das Teilchen wirkenden Kräfte – Schwerkraft, Widerstandskraft und Auftriebskraft – nicht im Gleichgewicht. Die dadurch verursachte anfängliche Teilchenbeschleunigung ist näherungsweise unabhängig von der Korngröße und hängt nur von der Dichte der Partikel und der Dichte des Fluids ab. Dadurch werden im Anfangsstadium schwere Partikel stärker beschleunigt als leichte. Theoretisch – wenn die Dauer des Falls kurz genug ist und die Wiederholung oft genug erfolgt – wird die Weglänge, die die Partikel zurücklegen, stärker von der Anfangsbeschleunigung und damit von der Partikeldichte beeinflusst als von der Sinkgeschwindigkeit. Am Ende der Beschleunigungsphase haben die Partikel unterschiedliche Wegstrecken zurückgelegt, so dass eine erste Differenzierung nach der Dichte erfolgt ist. Behindertes Setzen Wird der Prozess zu einem späteren Zeitpunkt betrachtet, haben die Partikel die Endfallgeschwindigkeit erreicht und sie bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die von der Dichte und dem Teilchendurchmesser abhängt. Größere, leichte Teilchen bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie kleine, schwerere Partikel. Da der Setzvorgang in einer sehr konzentrierten Suspension erfolgt, ist das Durchmesserverhältnis für Gleichfälligkeit von Schwer-zu Leichtstoffen höher als beim freien Absinken in Wasser. Es tritt eine Behinderung der Teilchen auf, die zur weiteren Differenzierung nach der Dichte führt. Konsolidierung Am Ende des Pulsationszyklus beginnt sich das Materialbett am Boden des Setzgefäßes zu verdichten. Die groben schweren Partikel bilden ein Struktur mit Hohlräumen, durch welche die feineren schweren Partikel hindurchgelangen können. Dadurch wird das feine Schwergut fixiert und kann beim folgenden Setzzyklus seine Position nicht verlassen. Von der Dauer der Konsolidationsphase hängt ab, bis zu welcher Korngröße und Dichte dieser Effekt auftritt. Während des Setzvorganges werden die genannten Vorgänge mehrfach durchlaufen. Technisch bedeutet das, dass über die Verweilzeit oder den Durchsatz ebenso wie über die Parameter der Fluidströmung der Setzvorgang an die jeweiligen Materialparameter angepasst werden kann. 2. Versuche auf der Modellsetzmaschine2.1. Versuche zur Optimierung der SetzmaschinentechnikDie Frage, welchen Einfluss das Setzhubdiagramm auf den Setzvorgang hat, ist bis jetzt noch nicht eindeutig geklärt worden. Auf der einen Seite zeigen die Versuche, dass mit asymmetrischen Schwingungen Verbesserungen bei der Setzbarkeit erreicht werden. Hierbei wird ein schneller Anhub und ein wesentlich langsamerer Abhub gefordert. Auf der anderen Seite sind nicht wenige Autoren der Auffassung, dass das harmonische Diagramm allen Ansprüchen genügt oder sogar dass die Form des Setzhub-Diagramms von untergeordneter Bedeutung ist, wenn nur Hub, Hubzahl und Unterwasserstrom entsprechend geeignet gewählt sind [5]. In Abb. 2 sind die Geschwindigkeitsdiagramme verschiedener Setzzyklen dargestellt. Der weit verbreitete sinusförmige Verlauf ist in Abb. 2a zu sehen. Der Zyklus nach Abb. 2b liefert einen verlangsamten Abstrom und ist bei druckluftgesteuerten Setzmaschinen anzutreffen. Ihm liegt der Gedanke zugrunde, den Auflockerungszustand möglichst lange zu erhalten. Mayer [4] sah auf Grundlage seiner Vorstellungen das in Abb. 2c dargestellte Geschwindigkeitsdiagramm als optimal an. Durch einen kräftigen Aufstrom soll das Bett im Ganzen angehoben werden. Das Absinken soll sich im ruhigen Fluid vollziehen und schließlich der Hub bei geringem Abstrom ausklingen. Abb. 2: Setzhub-Diagramme [5] Als Konsequenz für die eigenen Versuche wurde aus der Literaturauswertung abgeleitet, asymmetrische Setzhubdiagramme mit verlangsamtem Abstrom zu untersuchen. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Anhubphase realisiert, die bisher keine Rolle in der Setztechnik spielten. 2.1.1. VersuchsmaterialDie Sortierbarkeit von Materialgemischen mittels eines Setzvorganges hängt von den Dichteunterschieden und der Korngröße des Gemisches ab. Nach Schubert kann die Sortierbarkeit anhand des Quotienten q Sortierbarkeit rS -rF rS Dichte der spezifisch schweren Komponenteq = rL -rF rL Dichte der spezifisch leichten Komponente rF Dichte des Fluids beurteilt werden [5]. Bei folgenden Werten von q ist ein Gemisch in Abhängigkeit von der Korngröße sortierbar. q> 2,5 Trennung bis zu Korngrößen von etwa 100 µm herab möglich q>1,75 Trennung bis 200 µm herab möglich q>1,5 Trennung bis zu 1,5 mm abwärts möglich, aber schwierig q>1,25 Trennung bei noch gröberem Gut mit mäßigem Erfolg möglich q<1,25 durch Setzen keine Trennung möglich Bei der hier untersuchten Fraktion 1 – 4 mm stellt eine Sortierbarkeit von q=1,5 also einen Grenzwert dar, oberhalb der ein Sortiereffekt erreicht werden kann. Anhand dieses Grenzwertes und des Stoffbestandes, der in Bauabfällen häufig vorkommt, wurden Versuchsmaterialien ausgewählt (siehe Tabelle 1). Durch die Auswahl von Steinkohle soll das in Bauabfällen enthaltene Altholz berücksichtigt werden, dass ähnliche Dichten aufweist, allerdings bei weniger deutlichen Farbkontrasten. Letztere waren für die Bildanalyse erforderlich. Tabelle 1: Rohdichte der einzelnen Materialien
Die Dichteunterschiede und die berechneten Sortierbarkeiten (Tabelle 2) zeigen, dass die ausgewählten Gemische einen ausreichend breiten Bereich repräsentieren. Tabelle 2: Dichteunterschiede in den Gemischen
Das Ziegel/Altbeton-Gemisch liegt an der unteren Grenze der Sortierbarkeit, eine effektive Trennung mit konventionellen Setzmaschinen ist kaum möglich. Das Steinkohle/Altbeton-Gemisch kann dagegen als Modellfall für ein bis zu Korngrößen von 100 µm gut trennbares Gemisch gelten. |
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