Dynamik der Trenncharakteristiken von Strömungsklassierprozessen
- Institut:
Institut für Mechanische Verfahrenstechnik, TU Clausthal
- Projektleiter:
Prof. Dr. rer. nat. Alfred P. Weber, TU Clausthal
- Bearbeiter:
M. Sc. Christian Spötter, TU Clausthal
Einleitung
Trockene Klassierprozesse sind in der Feststoffverfahrenstechnik sowohl zur Abtrennung von Fehlkorn (z.B. hinter einer Mühle) als auch zur Herstellung enger Fraktionen von großer Bedeutung [1]. In den letzten Jahrzehnten hat sich der Abweiseradsichter als wichtigster Vertreter der Windsichter etabliert. Es handelt sich dabei um einen Fliehkraft-Gegenstromsichter mit erzwungener Wirbelsenkenströmung. Wegen seiner geringeren Sensitivität auf Änderungen in der Feststoffbeladung hat er den Spiralwindsichter mit freier Wirbelsenkenströmung weitestgehend verdrängt. Im Abweiseradsichter erzeugt ein Rotor die Umfangskomponente der Strömung und gewährleistet ihre Aufrechterhaltung unabhängig von der Beladung. Sichtluft und Aufgabegut werden gemeinsam oder getrennt der Klassierzone zugeführt. Die groben Partikel bleiben aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte FZ am Außenumfang und werden von dort abgezogen. Sie werden quasi vom Sichtrad abgewiesen, was zur Namensgebung führte. Die feinen Partikel werden aufgrund der dominierenden Schleppkraft FW von der Luft nach innen transportiert und zentral abgesaugt. Die theoretische Trenngrenze xt wird vereinfacht aus dem Kräftegleichgewicht am Außenradius des Rotors r0 zwischen Schleppkraft und Zentrifugalkraft berechnet (Abb. 2, rechts) und ergibt sich zu [2]:
\[ x_{t,th}=\sqrt{\frac{18 \eta \cdot v_{r,0}\cdot r_0}{\rho_p \cdot v_{\phi 0}^2}} \]
mit der Umfangs- und Radialgeschwindigkeit am Rotoraußenradius $v_{\phi 0}$ bzw. $v_{r,0}$, der dynamischen Viskosität der Luft $\eta$ und der Feststoffdichte$\rho_p$
Projektziel
Im Rahmen des Projektvorhabens soll das dynamische Trennverhalten von Strömungsklassierprozessen für trockene Partikelkollektive beschrieben werden. Der Fokus soll auf der Betrachtung des instationären Betriebes bei hohen Partikelbeladungen liegen. Als Beispiel soll der Trennprozess eines Abweiseradsichters untersucht werden. Einerseits sollen die Auswirkungen von sich schnell ändernden Betriebsparametern auf den Klassierprozess untersucht werden. Andererseits soll eine zeitaufgelöste Probenahme Auskunft über den Übergang vom instationären zum stationären Betrieb geben. Ziel ist die Entwicklung eines zeitlich und örtlich aufgelösten Modelles zur Beschreibung des Trennprozesses. Hierbei erfolgt die Beschreibung des Trennverhaltens und der Prozessgüte in Abhängigkeit von Aufgabegutmassenstrom, Partikelgrößenverteilung, Beladung sowie Partikel-Partikel- und Partikel-Schaufel-Wechselwirkungen.
Die Erweiterung des bestehenden Modellansatzes (stationären Betrieb) zur Beschreibung des dynamischen Trennverhaltens umfasst die Implementierung des Hold-ups (Gutring in der Sichtradperipherie), der Partikel-Strähnen (in der Peripherie) sowie den Zeitkonstanten zur Ausbildung eines stationären Trennprozesses. Eine Kopplung vom Mikroskop-Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen des realen Sichtprozesses in Verbindung mit DEM-Simulationen (Discrete Element Method) soll Auskunft über den Zusammenhang zwischen der Sichtraddrehzahl und der Rotationsgeschwindigkeit des zwischen den Sichtschaufeln entstehenden Sichtluftwirbels geben und zur Erfassung von Prozessparametern eingesetzt werden.
Arbeitsprogramm
Zur Vereinfachung der ohnehin komplexen Untersuchungen werden Versuche mit Partikelkollektiven mit eng verteilter unterschiedlicher Größenverteilung durchgeführt. Als Aufgabegut wird ein nicht-adhäsiver Kalkstein eingesetzt. Im Mittelpunkt steht die Erweiterung eines bereits aufgestellten numerischen Modells (Flugbahnmodell) für den stationären Betrieb auf den dynamischen instationären Betrieb. Übergeordnetes Ziel ist es, ein Fließschema für den Abweiseradsichter zu entwickeln, das alle Komponenten, die das dynamische Betriebsverhalten beeinflussen, berücksichtigt, und dieses Gesamtmodul in Dyssol zu integrieren. Da einige Komponenten des Modells, wie etwa ein Hold-up, in anderen Projekten des SPP ebenfalls berücksichtigt werden müssen, soll die Implementierung in enger Abstimmung mit anderen Projektgruppen (AG: Wirth, Nirschl und Kruggel-Emden) erfolgen. Des Weiteren soll für den Abweiseradsichter die Auswirkung von hohen Beladungen auf die Partikelbewegung um und im Sichtrad besser verstanden werden.
Gerade bei hohen Konzentrationen weisen die bisher verwendeten stationären Modelle Schwächen auf. Die Messungen zeigen, dass für ein tieferes Verständnis auch der Außenbereich um das Sichtrad und insbesondere die Bewegung der feinen Partikel erfasst werden müssen. Auf der einen Seite sollen Untersuchungen mit einem Mikroskopaufsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera sowie mit einem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) Aufschluss über die drehzahlabhängigen Geschwindigkeiten im realen Sichtprozess geben. Auf der anderen Seite soll die bisher als Fitparameter verwendete effektive Viskosität zu Beladungen und Drehzahl in Beziehung gesetzt werden. Dazu sollen die Experimente bei starker Variation von Beladung und Drehzahl mit DEM-Simulationen verglichen werden. Aus diesem Vergleich sollen auch Erkenntnisse zur Anflug- und Rücksprunggeschwindigkeit der Partikel unmittelbar vor und nach der Kollision mit der nacheilenden Schaufel gewonnen werden. Das entstehende Modell soll in ein Fließschema zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens eines Abweiseradsichters integriert werden. Wie die Experimente zum instationären Betrieb gezeigt haben, benötigt der Sichter bis zu 50 min, um sich an geänderte Betriebsbedingungen anzupassen. Diese Zeitkonstanten sollen in einem dynamischen Gesamtmodell, in welches neben dem Flugbahnmodell auch die bisherigen Erkenntnisse zur Strähnenbildung, zur Akkumulation in einem umlaufenden Gutring und zur Windsichtung im Außenbereich einfließen, richtig wiedergegeben werden. Dieses Modell soll in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Heinrich (Z-Projekt) schließlich in Dyssol implementiert werden.
Material und Methode
Der Hosokawa Alpine ATP 50
Zur Bestimmung der Trenncharakteristik von Strömungsprozessen wurde eine Technikumsanlage, bestehend aus einem umgebauten Abweiseradsichter des Typs Turboplex-Feinstsichter ATP 50 der Firma Hosokawa Alpine, einem Aerozyklon und einer Schlauchfilteranlage, wie in Abb. 1 dargestellt, verwendet. Der in dieser Technikumsanlage verbaute und modifizierte Abweiseradsichter ist des Weiteren zum besseren Verständnis des Sichtprozesses in Abb. 2 als Schnittdarstellung abgebildet [3-4].
Das Aufgabegut wird dem Abweiseradsichter Turboplex ATP 50 (2) unterhalb des Rotors über eine Dosierschnecke zugeführt (1). Die Sichtluft wird dem Abweiseradsichter im unteren Bereich des Gehäuses tangential über einen mit einem Luftfilter ausgestatteten Sichtluftstutzen (3) eingebracht. Das Sichtrad des Turboplex ATP weist einen Sichtraddurchmesser von 50 mm auf und wird durch eine horizontal gelagerte Welle angetrieben. Das vom Sichtrotor abgewiesene Grobgut verlässt den Sichter durch den zentral angeordneten Grobgutauslass nach unten (4), während die Sichtluft zusammen mit dem Feingut das Sichtrad durchströmt. Nach dem Durchströmen des Sichtrades verlässt die Sichtluft zusammen mit dem Feingut den Sichter durch ein feststehendes Rohr [3-4].
Zur Abtrennung der ausgetragenen Feingutfraktion von der Sichtluft ist dem Sichtprozess ein Aerozyklon (6) nachgeschaltet. Dieser Zyklon trennt die groben Partikel der Feingutfraktion aus dem Sichtluftstrom ab und leitet sie über die untere Öffnung des Zyklons in den Feingutauslass 1 (7). Die Sichtluft verlässt den Zyklon zusammen mit den feinen Partikeln der Feingutfraktion an der oberen Düse des Aerozyklons und wird in einer Schlauchfilteranlage (5) weiter aufbereitet. In der Schlauchfilteranlage werden die restlichen in der Sichtluft befindlichen Feingutpartikel an den Schlauchfiltern abgeschieden und mittels Spülluft in den Feingutauslass 2 (8) übergeben [3-4].
Umbau des Abweiseradsichters für eine optische Zugänglichkeit
Um für die Bestimmung der Trenncharakteristik des Abweiseradsichters einen optischen Zugang zum Sichtrad zu bekommen, musste der ATP 50 umgebaut werden. Es wurde beim Umbau des Sichters darauf geachtet, die Strömungs- und Klassierbedingungen durch Beibehaltung der Geometrie von Sichtrad und sichtradumgebenden Baugruppen zu erhalten, Antrieb des Sichtrades und Absaugung des Feingutes auf der gleichen Seite zu realisieren und die Sichtradstirnseite partikelfrei zu halten. Hierzu wurden der Antrieb des Sichtrades und die zentrale Absaugung des Feingutstromes durch eine Hohlwelle realisiert, die durch zwei Hochgeschwindigkeitsspindellager (Abb. 2 A) gelagert, über einen Flachriemen (B) angetrieben und durch eine ölgetränkte Flitzdichtung abgedichtet wurde. Der Antrieb der Hohlwelle erfolgt über eine 1:3 Übersetzung durch einen frequenzgesteuerten Drehstrom-Asynchronmotor (D) mit einer stufenlosen Drehzahlregelung von 3000 min-1 bis 15500 min-1 (siehe Abb. 2) [3-4].
Um einen optischen Zugang zu dem Sichtrad zu erlangen mussten speziell eingebrachte Ein-schubhülsen (E & H) in die jetzt frei zugänglichen Gehäusewände und die Decke des ATP 50 eingebracht werden. Die in das Gehäuse eingebrachten Einschubhülsen wurden für einen optisch optimalen Zugang mit Spezialglasscheiben verschlossen. Eine Hochgeschwindigkeitskamera des Typs Keyence VW-600M High Speed wurde vor die an der Stirnseite (H) des Sichters befindlichen Einschubhülsen platziert (vergleiche Abb. 2 J) um die Bewegungen der im Sichtprozess zu trennenden Partikel sichtbar zu machen. Das für die Aufnahmen mit der Hochgeschwindigkeitskamera benötigte Licht wird dem Sichtraum mittels einer Stativlampe über die Einschubhülse (E) in der Decke des Gehäuses zugeführt. Hierbei kann die für eine gute Bildqualität benötigte Lichtstärke im Sichtraum nur gewährleistet werden, wenn die Stativlampe, direkt auf das Spezialglas der Decken-Einschubhülse (E) aufgesetzt wird. Durch die mit dem optischen Zugang entstehenden Aufnahmen kann das Partikelverhalten im Sichtprozess besser dargestellt und Rückschlüsse auf das reale Trennverhalten gezogen werden [3-5]
Ergebnisse
Visualisierung der Sichtluftströmung und der Partikelbewegung in der Sichtzone des Sichtrades
Für die Visualisierung der Luftströmung in der Sichtzone (zwischen zwei Sichtradschaufeln) wurden sehr feine Kalkstein-Tracer-Partikel verwendet (x50,3 = 2,15 μm), während die Partikelbewegung mit größeren Kalksteinpartikel (x50,3 = 59,86 μm) sichtbar gemacht wurde. Die Bewegung der feinen Partikelansammlungen ist in Abb. 3 durch Pfeile dargestellt [3-5].
Bei einer Drehzahl von 3000 min-1 passieren die Tracer-Partikel die gesamte Sichtzone in einer bogenförmigen Strömung (Abb. 3 a)). Die groben Kalksteinpartikel folgen der Luftströmung zu Beginn in die Sichtzone (Abb. 4 a)), wobei sie aufgrund ihrer höheren Trägheit langsamer radial nach Innen getragen werden, so dass sie scheinbar auf die nacheilende Schaufel fokussiert werden. Aufgrund der nur wenig abgelenkt einfliegenden Partikel ist die Verteilung der Partikel über die Sichtzone bei dieser langsamen Drehzahl, zumindest für kleinere Partikel, relativ homogen [3-5].
Bei höheren Drehzahlen wird ein Sichtluftwirbel zwischen den Schaufeln ausgebildet (Abb. 3 b-e). Zur Parametrisierung der Position des Wirbels und seiner Wirkung auf die Bewegung der gröberen Partikel wurden die beiden Größen Leff, welche den kürzesten Abstand des Wirbels von der nacheilenden Schaufel angibt, und Rprall, welche den Abstand von der Sichtradachse zum Mittelpunkt der Partikelaufprallfläche beschreibt, eingeführt (Abb. 3 f).
Mit steigender Drehzahl nähert sich der Trennwirbel zunehmend der nacheilenden Schaufel [3-5].
Dieses führt zu einer Einschnürung der Luftströmung und somit zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit radial nach innen, was die Schleppkraft vergrößert. Des Weiteren führt die Einschnürung der Sichtluft zu einer zunehmenden Fokussierung des Partikelstroms auf eine sich drehzahlabhängig verkleinernde Aufprallfläche, wobei sich der Mittelpunkt der Aufprallfläche mit zunehmender Drehzahl zur Sichtradaußenkante verschiebt (vgl. Abb. 4 b-e) und Abb. 3 f)) [3-5].
Der Einfluss der Drehzahl auf die Geschwindigkeiten für Anflug und Reflektion sowie auf die effektiv durchströmte Länge Leff und den Aufprallradius Rprall ist in Abb. 5 dargestellt. Aus den gemessenen Anflugs- und Rücksprunggeschwindigkeiten der Partikel (Abb. 5 a) ergibt sich ein gemittelter Restitutionskoeffizient von 1,39, d. h. im absoluten Koordinatensystem erfahren die Partikel durch den Schlag bei der Kollision mit der Schaufel einen Impulsübertrag, sodass sie sich absolut gesehen nachher schneller bewegen als vorher. Bei geringen Drehzahlen folgen die Partikel der weit gefächerten Strömung weiter in das Innere der Sichtzone, bevor sie mit der nacheilenden Schaufel in Wechselwirkung (Partikel-Wand-Kollision) treten. Bei höheren Drehzahlen ist dies deutlich weniger der Fall [6].
Trennverhalten bei geringer Gutbeladung
In Abb. 6 sind die gemessenen Trenneffekte bei drei geringen Gutbeladungen für verschiedene Drehzahlen dargestellt. Während eine Erhöhung der Drehzahl um einen Faktor 3 (von 3000 min-1 auf 9000 min-1) zu einer Abnahme der Trenngrenze um 86 % führt (vgl. Abb. 6 (rechts)), resultiert eine Steigerung der Gutbeladung um einen Faktor 3 (von 0,33 wt% auf 1,00 wt%) nur in einer Reduzierung der Trenngrenze um wenige Prozent. Verglichen mit der Trenngrenze wird die Trennschärfe jedoch nur geringfügig von der Gutbeladung und Drehzahl beeinflusst. Für ein Kalksteinaufgabegut mit einer mittleren Partikelgröße von 59 µm schwankt die Trennschärfe bei Drehzahlen über 3000 min-1 nur um wenige Prozent mir einem Mittelwert von 60%. Für eine Drehzahl von 3000 min-1, bei welcher sich noch kein Wirbel zwischen den Schaufeln ausgebildet hat, schwankt sie in einem Bereich von etwa 10% um den Mittelwert von 60 % [6].
Trenncharakteristik bei hoher Gutbeladung im stationären Betrieb
Für die Untersuchung der Trenncharakteristik bei hoher Gutbeladung im stationären Betrieb wurden mittels eines zeitaufgelösten Probenahmesystems Grob- und Feingutproben genommen und analysiert. In Abb. 7 (links) ist die Trenngrenze in Abhängigkeit der Sichtraddrehzahl aufgetragen. Während die Trenngrenze, wie erwartet, stark von der Drehzahl und deutlich weniger von der Beladung abhängt, bleibt die Trennschärfe (Abb. 7 (rechts)) von den Betriebsbedingungen erstaunlich unberührt und schwankt wenig um einen mittleren Wert von 60 %. Eine Literaturrecherche (hier nicht abgebildet) hat gezeigt, dass auch andere Abweiseradsichterbauformen bei gleichen bzw. ähnlichen Betriebsbedingungen eine nahezu gleiche Trennschärfe erzeugen. Der Grund für die Invarianz der Trennschärfe von vielen Abweiseradsichtern ist bisher noch ungeklärt. Dieser Arbeitspunkt soll in weiteren Experimenten in Kombination mit DEM-Simulationen erforscht werden [4].
Strähnenbildung in der Sichtradperipherie
Die Hochgeschwindigkeitskamerauntersuchungen bei hoher Beladung haben zum ersten Mal die Bildung von Partikelsträhnen in der Peripherie des Sichtrades unter realen Prozessbedingungen gezeigt. In Abhängigkeit der Umfangsgeschwindigkeit bilden sich Strähnen, die im Typ, der Größe und der Verweilzeit variieren. Die Entwicklung der Strähnen wird durch ein periodisches Ablösen von kleinen Strähnen vom Sichtrad bestimmt, die sich später zu größeren Strähnen verdichten, bevor sie den Betrachtungsbereich verlassen. Bei einer Drehzahl von 3000 min-1 bilden die abgelenkten Partikel eine Primärsträhne an der Außenkante der Sichtschaufel aus, welche zu einer bogenförmigen Struktur anwächst (Abb. 8) [7].
Durch das tangentiale Ablösen der großen Strähnen kommt es zu Kollisionen mit den auf das Sichtrad anströmenden Aufgabegutpartikeln, wodurch ein erheblicher Einfluss auf den Sichtprozess genommen wird. Dieser Einfluss soll in weiteren Experimenten, unterstützt durch DEM-Simulationen, untersucht werden. Durch die periodische Bildung und das Ablösen der Strähnen ist der Sichtprozess sogar bei scheinbarer Stationarität des Makroprozesses aus instabilen Mikroprozessen aufgebaut. Diese periodische Strähnenbildung läuft aber auf einer Zeitskala im kHz-Bereich ab und ist nicht verantwortlich für die beobachtete Anlaufzeit bis zum Erreichen des stationären Betriebs. Dies ist vielmehr eine Folge des Gutringes, der sich um das Sichtrad herum ausbildet und die Funktion eines Hold-up übernimmt [7].
Literaturverzeichnis
- Leschonski K. Windsichter, verfahrenstechnische Maschinen zur Herstellung definierter pulverförmiger Produkte, Braunschweig, Jahrbuch der Wissenschaftlichen Gesellschaft, (1988)
- Legenhausen K. Untersuchung der Strömungsverhältnisse in einem Abweiseradsichter, Clausthal, Fakultät für Bergbau, Hüttenwesen, und Maschinenwesen, (1991)
- Spötter C., Legenhausen K., Weber A.P., Separation characteristics of a deflection wheel classifier in stationary conditions and at high loadings: New insights by flow visualization, KONA Powder and Particle Journal (akzeptiert am 19.09.2016)
- Spötter C., Stender M. Legenhausen K., Weber A.P. Dynamische Trenncharakteristik von Abweiseradsichtern, Produktgestaltung in der Partikeltechnologie, Fraunhofer Verlag, 405-421, Stuttgart (2015)
- Stender M. Legenhausen, K. Weber, A.P., Visualisierung von Partikelbewegungen in einem Abweiseradsichter, Chem. Ing. Tech. 87 (10), 1392-1401, (2015)
- Spötter C., Elskamp F., Hennig M., Teipel U., Weber A.P., Kruggel-Emden H. DEM-Simulation von Trennfunktionen für Trockenklassierprozesse in Siebung und Gegenstromsichtung bei geringen Gutbeladungen, Chem. Ing. Tech. (eingereicht am 26. 10. 2016)
- Spötter C., Legenhausen K., Weber A.P., Visualization of particle movements in the periphery of a deflector wheel classifier, AICHE Annual Meeting 2016, Conf. Proceedings AICHE Journal, (2016)