TC 11/2

Zerkleinern

1 Einleitung

2 Zerkleinerungs apparate

2.1 Brecher (Grobzerkleinerung)

2.2 Mühlen (Feinzerkleinerung)

2.3 Zerkleinerungsanlage

3 Zerkleinerungsvorgänge

4 PartikelgröBenverteilung eines Haufwerks

4.1 Definitionen

4.2 Integrale Massenverteilung (Verteilungssummenkurve)

4.3 Differentielle Massenverteilung (Verteilungsdichtekurve)

4.4 Spezifische Oberfläche des Haufwerks

5 Berechnungsgrundlagen

5.1 Zerkleinerungsprozesse

5.2 Kugelmühle

5.2.1 Zeitgesetz

5.2.2 Bruchenergie von Mahlgütern

5.2,3 Bewegungsvorgänge

5.2.4 Kritische Drehzahl

5.2.5 KugelgröBe

5.2.6 Spezifischer Arbeitsbedarf

5.2.~ Leistungsbedarf, Antriebsleistung und Auslegung einer Kugel~ühle

1 Einleitung

fast alle festen Rohstoffe, Zwischen- und Endprodukte müssen

zerkleinert werden:

Erzeugen einer bestimmten KorngröBenverteilung

Erzeugen einer geforderten spezifischen Oberfläche

Aufschluß von Naturstoffen (Rohstoffen) z.B. Bauxit,um

Wertstoffe anzureichern oder Schadstoffe abzureichern

Zerkleinerungsprozesse sind sehr energieaufwendig:

weltweit ~ 5% der Welt-Elektroenergieerzeugung.

Diese Energiemengen können jedoch nur im ~o-Bereich zum

Zerkleinerungsvorgang ausgenützt werden.

~ belastet Herstellkosten, z.B. bei Zement mit 20 bis 25 %.

Tribochemie: beim ZerkleinerungsvorgaDg können auch

chemische und physikalische Vorgänge ablaufen.

Hart-Zerkleinern z.B. Zement, Glas, Carbid,

Feldspat, Quarz; (in der ehern.

Industrie vorwiegend)

Mittelhart-Zerkleiner~, z.B. Kohle,

Kalkstein

Salze,

Weich-Zerkleinern, z.B. Getreide, Graphit,

Talkum

Mohs-Härte

5 bis 10

2 bis 5

Nach den Korndurchmesser des Gutes unterscheidet man:

n Z d ex,max,80

- Grobzerkleinerung ~ Grobbrechen 3 bis 6 0{ > 50 mm

- Mittelzerkleinerung -'> Feinbrechen 4 bis 10 5< ot< 50 mm

- Schroten 5 bis 10 0,5<d<. 5 mm

- Feinmahlen 10 bis 50 50< cl< 500rm

- Feinstmahlen >50 5<q< 50hm

- Kolloidmahlen > 50 01< 5~m

~erkleinerungsgrad n z n ~

z -d in ,max,80 d ex,max,80

in im Eingangs-(Aufgabe) gut

ex im Auslaufgut, nach dem Zerkleinern

max: Größt-Korndurchmesser

d 80 : Korndurchmesser ES Siebmaschenweite durch die 80 %

des Eingangsguts durchf~llt.

Trockenmahlen: Tr~gerfluid Luft oder N2 , CO 2

Naßmahlen: Tr~gerfluid (meist) Wasser, geringerer Energie­

aufwand als bei Trockenmahlung, infolge höherer

Viskosit~t; staubfrei

Feingut in Mühlen: n z sollte nicht zu groß werden, sonst

Erhöhung des Energieverbrauchs

Verschleiß nimmt zu

Verstopfung der Mühlen

Verschleiß: starker Abrieb, der das Mahlgut verunreinigt

Mahlkörper müssen nach einer gewissen Zeit ersetzt

werden.

2 Zerkleinerungsapparate

2.1 Brecher (Grobzerkleinerung)

;,/,' /~/ -</ ' c, ... obbre..c~e",

\2"'- ..... d - od&( lLe!3eLCo,..~~e..r I ~~~~~~ ~~

Hammerbrecher

Prallbrecher Walzenbrecher

Abb. -1 Maschinen für die Grobzerkleinerung a) Br~e; b) Hub-stange; c) Stützplatte; d) Druckplatte; e) Bre.:hkegel; f) Prallwerkzeug; g) Siebrost; h) Prallplatten.

i) ~dtl wdle. (({e~('(Q d,se) j) LtA.5U E) ~ l.) E)( 1 ~lt.r 1""'=_ ,----. -.--......

_ '" tU (eO "7 .Q., ~8e ClM

Einteilung der Übersicht zu Abb. ""'1

Zerkkine- Stückgröße Durchsatz Leistungs-rungsgrad Austritt bedarf

Itl: rnrn tlh kW

Kniehebel - l"&:Jc.cWu,.. - 5 bis 6 SO bis 300 8 bis 400 9 bis 170 Einschwingen- br~"'&r

Grobbrec er 5 bis 6 15 bis 60 0,5 bis 22 5 bis SO r-einbrecher 6 bis 10 t5 bis 25 3 bis 20 7 biS 32

Kegdbrecher Grobbrecher 4 bis 6 2S bis 250 12 bis 1600 14 bis 280 Feinbrecher 4 bis 20 8 bis 20 20 bis 85 20 bis 75

Hammerbrecher 4 bis 10 10 bis 40 10 bis 90 15 bis 100 Prallbrecher 4 bis 12 Sbis 40 5 bis SO 4 bis 50 Walzmbrecher 3 bis 4 1 bis 40 4 bis 70 4 bis 65

2.2 Mühlen (Feinzerkleinerung)

SiebtrommelmUhle

(Ii

--

Kollergang

RührwerksmUhle

Kugelmühlen

e.-a

" Il

Si t.IoJo~(L Tro\M "",(.l­IM~~IL ~'I+ ~fvQ.Sk.~"", --..e..t

SchwingmUhle

Stiftmühle

Strahl mühle

Abb. Z. Maschinen fUr die Feinzerlleinerung a) Koller (Walze); b) Mahl­

bahn; c) Austrag; d) Injektor; c= Treibmittelj~) ~f.l48Sbl:~le ~:+ K.'5 eC

. . e, tA '8e.

2.3 Zerkleinerungsanlage

Grobbrechen

(Kege\brecher)

\ \ 6rd.os~f.

\ \ ,

Feinbrechen

(Walzenfeinbrecher) I

Fe;,,­Mahlen

(Kugelmühle ) /

/ ;-

/ /

Siebanlage Klassierer

Abb.3 Beispiel einer Zerkleinerungsanlage

3 Zerkleinerungsvorgänge

Bruchbeginn und Bruchausbreitung, Bruchwahrscheinlichkeit

Energiebedarf ist um 10 2 bis 10 3 höher als die spezifische freie

Grenzf1ächenenergie bei idealer, reversibler Spaltung ~

reaktive Bruchflär-hen ~ Mechanochemie

Agglomerationszustand nach Beanspruchung

noch viele Fragen ungelöst.

4 Partikelgrößenverteilung eines Haufwerks

Zerkleinerte Feststoffe stellen ein Haufwerk von Teilchen (Schütt­

gut) dar, die s ich in !:!'!..5~~, ~röße und F0..E~ voneinander unter­

scheiden ~ auch Unterschiede in: Sinkgeschwindigkeit, Ober­

fläche, Volumen und Anzahl von Teilchen.

4.1 Definitionen

4.1.1 Teilchen- bzw. Korngröße d K (nFeinheit")

a) Korngröße d K = lichte Maschenweite eines Prüfsiebes, durch

das ein bestimmter Massenanteil (Siebdurch­

gang D) des Aufgabegutes gerade noch fällt.

z.B. d SO

Unterkorn

Oberkorn

1 mm SO Massen% des Haufwerks fallen durch ein Sieb

der Maschenweite 1 mm, bzw. der Siebdurchgang

D ist SO %, wenn das Sieb die Maschweite 1 n1ID hat.

Körner mit d K < d SO ' d.h. sie können das Sieb

passieren

Körner mit d K > d SO ' d.h. sie können das Sieb

nicht passieren (und bilden den Siebrückstand R).

b) Äquivalentdurchmesser d aq und Formfaktor f (Heywood-Zahl)

d .. : Durchmesser von Kugeln, die die gleichen physikal. aq Eigenschaften aufweisen wie die tatSächlichen, völlig

unregelmaßig geformten Teilchen: z.B. volumengleiche,

oberflachengleiche Kugeln

a d .. aq

Heywoodzahl f

fa

Kugeln Sand Zement

o Kugel

Kohlenstaub Flugstaub Quarz

... , \~" .

-;::eo-:;:::j t\\.,\-'-( 1 ~

dv oder d .. aq

dV ..... KugelduFchmesser volumengI. Kugeln

dS ..... Kugeldurchmesser oberflachengI. Kugeln

= (la)

-f Maß für die Abweichung von der

Kugelform.

')

= o Kugel __ ~ __ o __

L :s :::;;1L.. \~b)

°eff (hF/

Sphärizität. f

1 1,3 bis 1,4

1,8 1,8 bis 2,1 1,2 bis 2,3 1,8 bis 4,0

Glimmerplattchen 9,3

1j

c) k.Momente der Korngrößen-Verteilungsdichtekurve q(dK)

d

dK,l ~'::Xq(dK) d dK

d .

z . B.

k= 1 (1. Moment)

k=2 (2.Moment)

oder

K,mln

d K,max

(2a)

( 2b)

Körnungs-Ana lyse (nach Korn-Feinheit um -Verteilung) erfolgt

experimentell durch:

Siebanalyse für d K ~ 60 rm für d K f: 60rm Sedimentationsanalyse, Windsichten oder

Schlämmen

4.1.2 Siebdurchgang D und Siebruckstand R

Masse der Körner, die ein Sieb der Maschenweite dK passieren (3a)

Gesamtmasse der Siebaufgabe

oder o % ~ 100 D ~ 100 %

Massenanteil, der auf den Korngrößenbereich < d K entfällt.

Masse der Körner, die auf dem Sieb der Maschenweite d K bleiben

Gesamtmasse der Siebaufgabe ( 3b)

o .c. R.f.1 oder G % ~ 100 R f. 100 %

o

Massenanteil der auf den Korngrößenbereich ~ d K entfällt.

aus (3a) und (3b) folgt: D + R 1 ( 3c )

4.2 Integrale Massenverteilung (Verteilungssummenkurve)

Abszisse:

Ordinate: normiertes Mengenmaß Q, z.B. Anzahl, Länge oder

Masse bzw. Volumen von Partikeln

Verteilungssummenkurve: Q(dK) = R(dK)

~k~k I

Abb. 4-

oder

D(dK): Durchgangscharakteristik

R(dK): Rückstandscharakteristik

Integrale Massenverteilungskurven (Massen-Verteilungs­

summenkurve) eines Haufwerks

Verteilungsfunktion nach Rosin, Rammler, Sperling und Bennett - - -aus gemessenen Rückstandscharakteristiken (R R SB-Verteilung):

= e (4a)

d K statistischer Mittelwert von R(dK), statistisches Korn­

mittel, Lageparameter, Mittelfeinheit, abhängig von:

Mahlgut, Zerkleinerungs apparat , Durchsatz ro, Mahlorgane

n Streuungsparameter von R(dK), Gleichmäßigkeitszahl (-faktor),

Richtungsfaktor; abhängig von: Mahlgut, Zerkleinerungs-• apparat, m des Mahlgutes.

1 19 R =

1 19 (lg R

für d K

R (dK

11\.= 4':;

L~( l~ i-)

0, ~(og

d K

d K)

/' /'

./

19 e

n Ig d K + Ig (lg e) (4b)

folgt aus Gl.(4a):

1 rv 0.368 -e "-

~ .,./

/' 0.8 /' A. ~o..vdwo..~S~ /'

/' (i ""'" t-r"er) /'

/" ./

R.r2.~B -/' /'

e\~o..de-/' OS

Abb. S R R SB-Gerade nach Gl.(4b) zur grafischen Ermittlung von n und d K,

/ /

/ /

/ /Cl.

a: fehlendes Korn

b: Kornsprung: zusätz­liche Anreicherung

cl: Feinkornverarmung

c 2 : Feinkornanreicherung

Abb. ~ Abweichungen von der R R SB-Geraden

Für das Grob-Zerkleinern in Brechern ist R R SB-Gerade ungültig!

~.3 Differentielle Massenverteilung (Verteilungsdichtekurve)

Verteilungsdichtekurve

, Maximum für n'> 1

-dR q= ddK

Körnungslinien

n 2 > n 1

d R = --- ( 5 )

d K, :r,cx

J q(dK) ddK = I

d . K,m1.n

dR ddK

Häufigkeitsdichte mit der ein Korndurchmesser zwischen d K und d +dd

K K vorkommt

Abb. lr Differentielle Massenverteilungskurven (Massen-Verteilungs­

dichtekurven) eines Hcufwerkes

DieVerteilungsdichtekurven beeinflussen folgende Eigenschaften

eines Haufwerkes:

FlieBf~higkeit

Raumausnutzung

Löslichkeit

Agglomerationsneigung

4.4 Spezifische Oberfl~che des Haufwerks

Oft wird in der ehern. Technik eine Produkteigenschaft von der

spezifischen Oberfläche Sv oder Sm bestimmt, die durch die Par­

tikelgröBenverteiJung q(dk ) ausgedrückt werden kann:

S m

S m

d ((, /JA.#.)( J q(dK) 6 f ~ ddK

JS"1K (8a)

Massen-Verteilungsdichtekurve

Dichte des Haufwerks

massenbezogene Oberf läche des Haufwerks [~~] - m2 ] volumenbezogene Oberfl~che des Haufwerks l -

m3

Sv l~Bt sich aus den 2. und 3. Momenten der Anzahl-Verteilungs­

dichtekurven qO(ds ) und qO(dv) berechnen nach:

( 8b)

Empirisch gemessene Massen-\'erteilungsdichtekurven lassen sich

oft als logarithmische Norr..alverteilungen (logarithm. Abszisse)

darstellen:

Streuungspar~~eter

a tf. (ot&()

fb)

Medianwert der Verteilungsdichtekurve, d.h. der Korn­

durchmesser der sich ergibt, wenn die Fläche 50 %

beträgt:

. H e.olIOlLt -----

Manchmal, z.B. bei Getreidekörner, ist die Normalverteilung

erfüllt:

= ( :'t-)

S m

Berechnung von Sv aus dem R R S B - Netz:

Die dimensions lose Oberflächenkennzahl A:

A ==

(Be)

( 9 )

kann im RRSB-Netz am 2. (äußeren) Randmaßstab abgelesen werden:

A SV· (fit I A. e AZ lLO e 'f = __ ---l'=l_, b _________ ,,-+_....l'1'L.....--,

Aooo

L---4-- A. e.t>.. lA!'J f..W)t f -o ~f~b

2-. ~~fA,4(),p­

'~b

Abb. g RRSB-Netz zur Ermittlung von Sv eines Haufwerks

5 Berechnungsgrundlagen

5.1 Zerkleinerungsprozesse

Für Einzelkörner hat man fOlgende"Zerkleinerungsgesetze" ge­

funden:

= - c . ( 10)

P, c Konstanten

p

p

A m,Z

-2 v. Rittinger (1867) ~ A = c(l/d - lid. ) m,Z ex 1.n

A c(ln d. - In d ex) m,Z 1.n -1 Kick (1885)

A m,Z 2c( 11 ~ -li fd:? ex 1.n -3/2 Bond (1952) /.."

Integration von d. ~ d 1.n ex

spezifische Zerkleinerungsarbeit bzw. spezifischer

Arbeitsbedarf für eine Mahlung bezogen auf die Masse

Mahlgut

)

GIn. (10) und (11) können nicht auf die maschinelle Zerkleinerung

angewandt werden. Hierfür bessere Methode: Mathematische Simu­

lation, mit der die Änderung der PartikelgröBenverteilung mit der

Zeit erfaBt wird. Es werden Massenbilanzen für jede Kornklasse i

aufgestellt, wobei die Massenabnahme ~der vorhandenen Masse m. 1

ist:

dm. 1. dt

m.(t=O) = m. " 1 1. , .J

- Vz . m. ,1. 1 +

, ..) ~A

In. 1

Massenanteil der Fraktion i

Vz . m. ,1. 1

V z . , 1. Zerkleinerungsgeschwindigkeit

(12a)

i= 1,2,3 .... n

(11a)

(llb)

(llc)

b .. 1J

Massenanteilv~n Bruchstücken der Partikeln aus Fraktion j,

die in die i-te Kornklasse fallen.(VQ..(~Lu.1A5.skoe(f, du • 1,~ct. ,fC. CP~ )

n

V z . , 1.

Anzahl der Kornklassen i, t= 1: größte Part ikel

und b .. werden experimentell bestimmt und sind in Kugel-1J

mühlen (~Abschnitt 5.2) bei Trockenmahlung et\',o'a konstant.

5.2 Kugelmühle

5.2.1 Zeitgesetz

Am At

Vz Zerkleinerungsgeschw.

Am Masse des gebildeten Feingutes

~t Zerkleinerungszeit

m jeweils vorhandene Masse des Aufgabegutes

k Z Zerkleinerungsgeschw.konstantei

q :" Ordnung des Zerkleinerungsprozessesi

( 13 )

q=f(G) : q< 0 bei sehr groBem Gi Vz f~llt q=O bei großem Gi Vz maximal

q=l bei sehr kleinem G

5.2.2 Bruchenergie von Mahlgütern

Eb Bruchenergie. rtiejenige Energie, die für ein Einzelkorn be-

stimmter Größe und eines bestimmten Stoffes zc Bruch führt.

Eb ist innerhalb der Mahlgutteilchen nicht konstant sondern es

liegt eine B~uchenergieverteilung Wi(Eb ) in form einer loga­

rithmischen Normalverteilung vor:

f (dK, Material) Streuungsparameter der Verteilung

Eb Mittelwert der Verteilung

W. Bruchanteil l

(ISa)

. wor in m K das Trefferg~ied: : Anfangszerkleinerungsgeschw.

m = K

~ k. ot Lt lß~ -I t.c,;.c:US -tv...r fv'oll4 I der ~ e.fv0"ff ~ w,' rd .

(15b)

ZK: mittlere Anzahl der von einer tv1a~l-kugel getroffenen Körner

ZKu: Anzahl der Ha k l kugeln

t Ku : mittl. Umlaufdauer einer Kugel

mK : mittl. Masse eines Korns

und 3 das Energieglied darstellt:

CO CO

r: f f da- d(;"KU. j ~ E t-lt.

(15c)

worin

~ d EKu

die Verteilung der ausnutzbaren Kugelenergie darstellt, die

von EKu = Eb bis 00 integriert werden muß, da ein Korn für

EKU ~ Eb zerbricht.

Außerdem muß über die Verteilung der Bruchenergie Eb integriert

",'erden, die zwischen Eb = 0 und CO liegen kann.

-=D ~ ist also der Anteil der getroffenen Körner, der wirklich

zerkleinert wird.

5.2.3 Bewegungsvorgänge

V Kugel

VMühle

Kugelfüllungsgrad;

Abb . .9 Bewegungszustände in einer Kugelmühle A Abrollen; B KugelfaII; C Zentrifugieren

Es gibt alle übergangszustände (auch erheblicher Schlupf zwischen

Kugeln und Mühlenwand ) der obigen 3 Grenzfälle von Bewegungs­

zuständen die von f M und n abhängig sind:

bei kleinem f M kann es zu Schwingungen der Kugelpackung

kommen

5.2.4 Kritische Drehzahl

Mahltrormnel

Hahlkörper

Abb.10 Zur Berechnung der kritischen Drehzahl n der KugelmOhle cr

Zentrifugalbeschleunigung Fallbeschleunigung

UA~t tu.:::- lii tA. g, lf :

fAc.r~r~~t'· n cr

0,705

= 9

( 16 )

optimale Drehzahl ~ 0,6 bis 0,8 n cr

g r:, ] Fallbschlel1;i1igung

otn.;. ['-"'J Mühlendurchmesser

CA) [s-1] Winkelgeschwindigkeit

n (s-l] Drehzahl der MOhle

ncr fs-1] L kritische Drehzahl

d Ku [ ID] Kugeldurchmesser

Gl.(16) ist vereinfacht:

n f(Art und Form der Trommelpanzerung, Art und cr

Form der Mahlkörper, f M)

5.2.5 Kugelgröße

Die Schlagenergie ES einer Kugel muß ausreichen/die gröbsten

Körner zu zerkleinern, andererseits soll das Feingut dadurch nicht

wieder brikettiert werden:

Nach gl.(17) kann ES durch den Kugeldurchmesser eingestellt werden,

wenn fKU und dMO festliegen. d Ku kann empirisch abgeschatzt

werden aus den Zahlenwertgleichungen:

d Ku 28 v= dK I (18a)

d K in [mm ]

d Ku in [ mm J oder

d d Ku :: 6 log K,ex (18b)

V d K, in'

d K,ex [ mm] Endkorngröße

d K . ,ln [mm1 Eingangskorngröße

und

d Ku L 1/20 dMü (18c) -

5.2.6 Spezifischer Arbeitsbedarf

Aufgrund umfangreicher Messungen nach Bond, lassen sich Kugel-

mühlen auslegen, d.h. der Arbeitsbedarf A wird bestimmt nach: m, Z

A

d K,80,in

d K,80,ex

m, Z A.

1 ( 19 )

Korndurchrnesser bei D=80 % im Eingangsgut

" " " " im Auslaufgut

A. 1

[ kWhjt] Mahlbarkeit, Arbeitsbedarf pro Masse Gut für

Tab. /f

eine Mahlung auf d = 100 ~ m K,80 ex /

~ A. 1

A. 1

Basalt 22

Zementklinker 15

Kohle 12

Koks 23

Glas 3

Eisenerz 16

Quarz, Kalkstein, 13 Feldspat

Korund 64

Bleierz, Chromerz 11

10

~

[k~ ]

1hs 18

bis 20

bis 15

bis 13

A. 1

Richtwerte für die Mahlbarkeit A. zur Anwendung der 1

Formel (19)

5.2.7 Leistungsbedarf, Antriebsleistung und Auslegung

einer Kugelmühle

Der maximale Leistungsbedarf N einer Kugelmühle, bei max schlupffreier Mitnahme der Kugeln, für n/n = 0.7 bis 0.8, cr

d Ku = (10 bis 20) d K und f M = 0.35 bis 0.45 berechnet sich nach:

N max (0.035 bis 0.042) [1 + 0.4 f G PG J !KU

f G: Mah1gutfüllungsgrad =

.f G: Dichte des Mahlgutes

f,: Mühlenlänge

~1

(20a)

0.4 1- E.: Feststoffvolumenantei1 der Trübe, die möglichst dick sein soll

für n/n cr 0.75 gilt nach Blanc-Eckardt:

N

f w c ~kgm1/2

Antriebsleistung NMo

-j I • I • ,

(20l))

zwischen 6.8 und 13.3

Masse der Mahlkugeln

Die Antriebsleistung einer Kugelmühle berechnet sich nach:

N = Mo mG A m, Z (21a)

mit dem Durchsatz mG an Mahlgut:

. r d L 1 mG ~ 0.35L1-0.6 d Ku ( 21b)

Durchmesser der Rundlöcher in der Austragswand

a L Flächenanteil der Rundlöcher

a G Flächenanteil der Gutaufstiegszone

Nach Gl.(21a) gilt also für die Auslegung einer Kugelmühle:

. mG und Am,Z müssen bekannt sein ~ Ermittlung von NMo

dann:

1. Berechnung von dMü aus Gl.(21b)

2. Berechnung von ..e aus Gl.( 20a) für N = NMo . max

TC 11/3

Klassieren, Sortieren und Flotieren (Trennverfahren I)

1 Einleitung

1.1 Kennzeichnung einer Trennung ( Massen-Verteilungsdichtekurven)

2 Klassieren

2.1 Sieben

2.1.1 Siebtechnik und Apparate

2.1.2 Grundbegriffe

2.1.2.1 Siebgütegrade

2.1.2.2 Durchsatz

2.1.2.3 Durchgangswahrscheinlichkeit und Trennkorngröße

2.1.2.4 Absiebungsziffer (Siebkennzahl)

2.2. Hydro- und Aeroklassieren

2.2.1 Apparate

2.2.2 Bewegungen von Feststoffpartikeln in strömenden Fluiden

2.2.2.1 Relativgeschwindigkeit als Anströmgeschw. der Partikel

2.2.2.2 Einwirkende Krafte

2.2.2.3 Berechnung von Partikelbahnen

2.2.3 Sinkgeschwindigkeit und Trennkorngröße

3 Sortieren und Flotieren

3.1 Apparate und Verfahren

3.2 Trennkorndichte

1 Einleitun~

zu den mechanischen Trennverfahren gehören folgende Prozesse: ...... _-------

- Abscheiden Nollständige Trennung von Partikeln aus Gasen oder

Flüssigkeiten) ~ TC I1/4

- Klassieren

fb I. Au erelten

- Sortieren

(Trennung der dispersen Phase nach Partikelgrößen -

oder Sink'Jeschwindigkei tsklassen in zwei oder mehr

Größenklassen) unabhängig von der Partikeldichte

(Trennung nach Feststoffdichte oder anderer physik.

bzw. ehern. Eigenschaften: Flotieren: nach Benetz­

barkeit) unabhängig von der Partikelgröße.

Die Klassierverfahren umfassen:

- Sieben (Siebklassieren) : d K '> 40r m

Z d K <: 40 J..,.m (Hydroklassieren) 5 I

- Windsichten (Aeroklassieren)

- Naßklassieren

Die Sortierverfahren umfassen:

- Dichtesortieren

- Magnetsortieren (Magnetscheiden)

- Elektrosortieren (Elektroscheiden)

- Flotieren

Trocken- oder Naßsortieren

Bedeutung der Trennverfahren

- Aufbereitung für chern. Prozesse

- Abtrennung des Endproduktes

- Umweltschutz (Luftreinhaltung, Gewässerreinhaltung)

1.1 Kennzeichnung einer Trennung

~ ;t\ X.J="'1 a

MA~~ 1 X ~ -q1=

~~g

~. =-IT'I

od e.r- :

z. dT

d k, tJ-AA)(

[ q. i" 01 c:lk =--1

rJ I< I tM;'"

Mt" ~;11

I1M.J:G + ~66

X~ -r X~G, --1

Abb. -1 Massen-Verteilungsdichtekurve qin des Aufgabegutes einer idealen Trennung

mFG : Masse aller Partikel mit dK<dT

m : Masse Aufgabegut in

mGG : Masse aller Partikel mit dK'>dT

xGG ' x FG Massenanteile an ~rob~ut bzw. !ein2ut

dT TrennkorngröBe, bei der die Trennung erfolgt

ideale Trennung, die bei d T durchgeführt wird:

alle Partikel mit d K 6 d T gelangen ins Feingut

alle Partikel mit d K ~ d T gelangen ins Grobgut

X'FGa q.FG( ~k): ;~e-~Le... hQnel-1- V~/UM.{j.rctr·ch/.R-kurve. ~ de~ ~v. ~tAfs rq

X6e\ !fete, ('du) : iol. hD.~.r~ - (j--t.r1~· ljS dicß/e klJ...r I/L eier 6t'oIo~ ...... h 6C-,

'flO:~e.. ~I l.,6 : +t~cAL 3, '+, .t :

~ IA.tS f""'- It lAfS~be 'Vv..r ;Y1 6~obts I~ ~fj~be3kJ-;J;)

,- . , -4- +e... ~ e~ ---.l ..... l ... ~t-- 6VD6e.s- ---I

I

x' F€) f:1-1=C")_-...L (re; lA ß~ i-) ( (f2()..L)

Abb.:L Massen--Verteilungsdichtekurven des Aufgabegutes ,

Feingutes und Grobgutes einer realen Trennung , y",~I~ ..

x FG qFG (dK): Massen-Vertellungsdlchtekurve des Fe~ngutes FG (Massenanteile)

reQ.le. XGG qGG (dK) :'Y~ass~n-Verteilungskurve des Grobgutes GG

(Massenanteile)

d _ <:d <d K,mln,GG K K,max,FG bei realer Trennung :

Flache 1,3,5

Flache 1,3,6

-

Oberlappun~ der Verteilungsdichte-kurven des Feingutes und Grobguts ~ es ge­langen sowohl Partikel vom Grobgut ins Feingut, als auch Partikel vom Feingut ins Grobgut, d.h. es kommt zu einer teilweisen Mischung von Grob­und Feingut ~ unvollkommene Trennung:

Feines im Grobgut (Fehlkorn,

Grobes im Feingut (Fehlkorn,

Fehlü~erkorn)

beim Sieben

FehlutterkOrn)

Flache 1,2,3 Grobes im Grobgut (Normalkorn)

Flache 1,4,3. Feines im Feinout (Normalkorn)

Grenzkorngröße d T :

(präparative Tren~­grenze, Sichtgrenze)

~ Abszisse des Schnittpunkts Q)der Vertei­lungsdichtekurven von Grob- und Feingut:

Trenngrad T(dK,i) bzw. Trennkurve T(dK) bei Abscheider (~TCII/4)

Masse einer best. Kornklasse im Grobgut =

Masse der best. Kornklasse im Aufgabegut

T(d =d ) = 50 % K T

xGGqGG(dK)

qin (dK)

Gesamtentstaubungsgrad T bei Abscheider ( ~ TCII/4) ges

T ges

0(", ~X

fT ( dK) qin ( dK )

~ {.( I \M; '"

(2a)

Durchlaßgrad P von Abscheidern (~TCII/4):

P - 1- T ges = c K . ,ln

c K . ,ln

(2b)

Partikelkonz. im FG

" n im Aufgabegut

( 1 )

2.1 Sieben

Siebanalyse ist auch das wichtigste Trennverfahren für die Partikel­

größenanalyse (~Partikelmeßtechnik): z.B. Messung von integralen

und differentiellen Massenverteilungskurven mit Standard-Prüfsieb­

sätzen.

2.1.1 Siebtechnik und Apparate

Siebüberlauf (Grobkorn, überkorn, Rückstand R)

Siebunterlauf (Feinkorn, Unterkorn, Durchgang D)

Grobs iebung 40 rnrn < dK <: 200 rnrn

Mittelsiebung

Feinsiebung

Trockensiebung

Naßsiebung

2 rnrn < d K < 40 rnrn

40 bis 60r m < dK < d K > 0.1

2 rnrn

mm

d K » 0 • 1 rnrn

Wurfsiebe

Wu..<fsieb

Abb.3 Flachsiebe (a Amplitude der Siebschwingung)

Siebböden entscheidend für die Güte der Absiebung: z.B. Roste,

Lochbleche, Drahtnetze, Synthesefasergewebe, Gummi­

oder Kunststoffböden, verformbare Siebböden.

2.1.2 Grundbegriffe

wirksame Kräfte sind:

- Schwerkraft

- Strömungskräfte

- StoBkräfte

- Reibungskräfte

- Haftkräfte

- Klemmkräfte

2.1.2.1 Siebgütegrade

Feinkorn im Durchgang 'S -k'-

7 = 1 4-immer Oberkörner im Druchgang FK Feinkorn im Aufgabegut

Grobkorn im Rückstand< -W~

'1 GK = 1 ...-immer Unterkörner im Rückstand

Grobkorn im Aufgabegut

2.1.2.2 Durchsatz

= f (offene Siebf läche, Siebgut [Härte, Dichte, Feucht ig­

keitJ ' Siebaggregat, Siebbewegungen [ ~ Siebkennzahl KJ>

-t 'jrö~ Parnkel (dk > e) -=Fe.t...l ~ft.t~

*~ k/~' ~ FfM h'kel (eil< ~ f2.) : ~l...L iJoJ-r kon..,

2.1.2.3 Durchgangsw3hrscheinlichkeit und Trennkorngröße

feines Unterkorn mit dK/i< 0.8: WD hoch, keine Klemmgefahr

Körner mit dK/e> 1.5 WD ~ 0, keine Klemmgefahr

Grenzkorn mit 0.8 ~ dK/~ ~ 1.0 WD klein, erhöhte Klemmgefahr

Trennkorngröße d T:

WD: Durchgangswahrscheinlichkeit

,Q : lichte Maschenweite des Siebs

2.1.2.4 Absiebungsziffer (Siebkennzahl)

Für ein Einzelkorn, ohne Luftreibung, ohne gegenseitige Behinderung}

gilt für einen gleitungsfreien Abwurf von der Schwingsiebober­

fläche, wenn es kreisförmige Schwingungen der Frequenz n mit der

Amplitude a ausführt~

b = a (..02 K _ a t...)2

9 = (3a)

Die Zentrifugalbeschleunigung b hängt vom AbwurfwinkelO< und

vom Neigungswinkel (b des Siebbodens ab:

b., = Gt ~ 2. ~Ii... (oL..,. f. ') - - - - - -------- tfon-rofA....fct(e..

Abb. 'f zur Herleitung der Absiebungsziffer K bei Schwingsieben,

wenn die Winkel 0< und ß berücks icht igt werden.

Analog Gl.{3a) folgt:

K _ afAil s in (pe. +ß)

g cos ß

Folgerungen aus Gl.(3b):

a 4 T2 n 2 s in (o(.+/J )

g cos ~ (3b)

1. je gröBer K umso intensiver ist Umwälzung der Körner, umso rascher wird eingeklemmtes Korn frei; allerdings zunehmende Beanspruchung des Siebes

2. je höhet"t>L, f> umso gröBer K

3. K= 3.3 : statistische Resonanz, d.h. die Wurfdauer (Flugzeit)

des Korns = Schwingungsdauer des Siebes ~ optimale Nutzung

der Antriebsenergie.

4. K = 1.4 bis 1.8 : schonende Absiebung für leicht siebbares Gut

(Nachklassieren von Steinkohle); ~= 30 bis 60°

K = 2.1 bis 2.3

K = 3.0 bis 3.2

K 5 bis 6

schonende Absiebung für schwer siebbares Gut

(Nachklassieren von Koks, Klemmgefahr);

0(, = 30 bis 60 °

Scharfe Absiebung bei schwer siebbarem Gut

mit groBen Mengen Feinkorn {Vorklassjeren von

Steinkohle, Klassieren von Erzen, Absieben

von Schotter und Splitt);O( ~ 60°

besonders schwieriges Siebgut

2.2 Hydro- und Aeroklassieren

~x~~~~!~~~!~~~~: Trennung de~ Korngemenge (Suspensionen) nach .Q.~eichfälligkeit, d.h. nach Teilchen mit gleio.her Sinkgeschwindigkeit (Absetzgeschwindigkeit)

Aeroklassieren: ebenfalls Trennung nach Teilchen gleicher ---------Sinkgeschwindigkeit

2.2 1 A . pparate

Klassierer

Spitzkastenkaskade

Spitzkasten

Rechenklassierer

Abb. S . 11. KI3~"ICrer S· on; c) Rech . ,lehter Zykl en: d) Lüfterrad .' one , e) Gegenflü I ge system· f) S , treuteller

i

a) Grobfrakt" ß ) TeLl,,( cf,Z) Feinfrak-

2.2.2 Bewegungen von Feststoffpartikeln in strömenden Fluiden

2.2.2.1 Relativgeschwindigkeit als Anströmgeschw. der Partikel

~ ~ .-1t~ 1- 'Uf. ... u.s ~ , -'-4r to .. , --. - tts

1.tf .. ... --'

p~(+ i k~l .s 'l.tf

Abb.6 ~ ~ --'

zur Definitlon von u s ' u f und u rel

Es gilt der Differenz -Vektor

I t:"rel ( 4 )

S Schwerpunkt der Partikel

Fluidgeschwindigkeit (Gas- oder Flüssigkeit)

-u. s Partikelgeschwindigkeit

-u rel Relativgeschw. zwischen Fluid und Partikel

= Anströmgeschw. der Partikel ~urch das Fluid

2.2.2.2 Einwirkende Krafte

1. Feldkräfte (Schwerkraft FG, elektrisc~~ oier ~agnetische Krafte)

= m 9 s = (5a)

V : Volumen der Partikel s

~s: Dichte c~r Partikel

m : Masse cer Partikel s

2. Druckkräfte auch dann vorhanden, wenn u 1 =0; infolgevon re

Druckgradienten

= - V grad P s

3. Tragheitskrafte (d'Alembert)

- m b = s

4. Strömungskrafte

~

(5b)

(Sc)

infolge von u 1 (Anströmgeschw.) wirken auf das Partikel eine: re ~

a) Widerstandskraft FW

.... .... b) dynamische Auftriebskraft FA d ~ ufL) senkrecht zu , yn.

c) statische Auftri.,:bskraft I FA = f f gV s I (Sd)

in Richtung von urel

und ein -d) Drehmoment M

-u rel

Für die Widerstandskraft gibt e.s nur eine näherungsweise Be­

schreibung. Zunächst werden folgende Vereinfachungen angenommen:

- Die Partikel hat die Form einer Kugel, hat eine glatte Oberfläche, ist nicht deformierbar und rotiert nicht in der Strömung,

feste Wände und freie Oberflächen sind so weit entfernt, daB sie die Strömung praktisch nicht beeinflussen,

- das Fluid (Grundströmung) ist inkompressibel, weist Newtonsches FlieBverhalten auf und kann als Kontinuum betrachtet werden und ist stationär,

- die Anströrnung ist gleichförmig, laminar und stationär .

~

-=:P M=O, ..10. F A,dyn.

o

für eine Kugel (r=l) gilt:

~ 1 U~ell FW = wK(Re) A 2~f (Se)

A =lld2 K/ 4 (Projektionsfläche

R _ u rel d K e = ..y

Kinemat. zähigkeit des Fluids

Widerstandszahl der Kugel

Dichte des Fluids

für Re ~ 0.25 24

wK = Re

der Partikel)

d.h. Stokes'sches Gesetz [GIn. (Se) und (6a) ]stimmt gut mit

Experimenten überein.

bis Re ~ 100 : numerische Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen

für Re '> 100 nur experimentelle Ergebnisse:

24 wW ~ Re + 4 / fR; + 0.4 ( 6b)

Bei instationärer Anströmung, d.h. wenn sich das Partikel be­

~~~!~~~~~~ oder ~~~~~~~~~ in der Strömung bewegt, dann wird:

1 + -2

di1TJf7 3 + 2

Für 18 ~Re ~ 540:

FW nach Gln.(5e) und (6b)

für Re sehr groß:

J t o

t

d u

d u rel dt

rel /dt

Y t-t o i

(Sf) dt

t o : Beginn der Geschw.anderung

F W( t ): inst.9!.i2~~x:.e_ Widerstandskraft

FW: ~~a!~oE~~~ Widerstandskraft

2.2.2.3 Berechnung von Partikelbahnen

Zur Berechnung von Partikelbahnen in einem strömenden Fluid geht

man von der Vektorsumme aller angreifenden Kräfte aus, die Null

ergibt (Kräftebilanz):

........ - -:\....:..~

- F G + F W ( t) + FA, dyn + F A + F P + F T o

Für Gasströmungen vereinfacht sich GI.(7a) zu:

(7a)

F =0 ; Fp=O A,dyn (GI.7a folgt auch aus der

Navier-Stokes-GI. (TCI/4])

= ( 7b)

oder mit GIn. ( 5c), (5a), (5e) und (5d); wenn für v = 1'[ d 3 ge-s 6 K

setzt wird:

~s du s dt =

- -i d~ f s g - wK { d 2K ~.f f 2

u rel

Die Integration von DGL (7c) liefert die Partikelgeschw.

u (t) = s dx(t) dt , woraus durch eine weitere

Integration die Bahnkurve x(t) der Partikel folgt.

-" 3 g "6 d K

Schließlich ist zu berücksichtigen, dnß die Widerstandskraft FW auch abhängt :

- vom Wandeinfluß d.h. dem Abstand der Wände zwischen denen das Fluid strömt

- von der gegenseitigen Wechselwirkung der Partikel

2.2.3 Sinkgeschwindigkeit und Trennkorngröße

Abb.1-

fq

t r f f 'Llf

Zur Berechnung der Sinkgeschwindigkeit u f - Us _ u rel

einer Partikel

(7c)

Für den stationaren Bewegungszustand der Partikel folgt aus

GIn. (7b), (:;:, ~O)

u = u - u = Irel f s,s

4 <.f s -..Pf ) 9 d K

3 ~ f W'K( Re)

Sinkgeschwindigkeit

u s,s §tationare Partikelgeschw.

Sinkgesrhw. der Partikel

aus u = u u s,s f - rel folgt:

(8a)

(8b)

u ";> 0 s,s u f ":> u rel Partikel steigt ~Feinkorn, d K <. d T (folgt der Strömung)

u .c:::. 0 s,s

u s,s o

Trennkorngröße d T

für u f = urel ' d.h.

Partikel fallt ~Grobkorn, d K ~ d T

Partikel schwebt ~IGrenZkOrnl, d K - d T

u = 0 folgt aus Gl.(8b) mit d K - d T s,s

2 3"g f u f wK ( Re)

( 9 ) 4 (f s -ff) 9

REYNOLDS-Zahl Widerstands zahl Sinkgeschwindigkeit u rel Trennkorngröße d T m/s m

d; (!s-j'r) 18 7 Ur -1 l;,minar n ... < 1 wK - 24/He U rel - d -

18, T

(Stokes) ~s-ff) g

12 J f .y 12$f V [ Nr" [ Rf Obergang 5.( Re (1000 = 16/ Q d T wK U rel = (~B-!f)g d K = fs-ff)g uf

10 3 <'Re< 3.10 5 " 'v 3 Cfs-ff )g I

ff lurbulent 0,44 d T = 0,33 2 t~'K ,. d K u f rel ff f<ff)g (Newton)

Tab . ..., Trennkorngrößen d T nach GI.(9) und Sinkgeschwindigkeiten

urel nach GI.{8b) in Abhängigkeit vorn Strörnungszustand

Korrekturen für die Sinkgeschwindigkeit u I nach GI.(8b) bzw. re Tab.l -?> TCllj4

3 Sortieren

Trennen in: das Konzentrat (erwünschter, wertvollerer Stoff) und

in die Abgänge od. Berge (enthalten wertlose Bestandteile).

I.a. ist hierfür eine Vorklassierung auf etwa gleiche Korngröße d K erforderlich: KorngröBenverteilungskurve muß umso enger sein, je

,geringer die Dichtedifferenzen ~gsind: ~ NaBsortieren

~ ~ relativ klein) gibt i.a. bessere Stoff trennung als Trocken­

sortieren (IlJ relativ groß).

Schwergut (j groß) und Leichtgut (j> klein) .

3.1 Apparate und Verfahren

l'm3 leichtgut lIJIlIJ Stahlkugeln

~t;;:'~f Cl ~:.Lu.,)

~~~-~==_-:.-c j

d . . h h ~ ~

ID Membransetzmaschine (Bauart RBMBR-SIBBTECH· N1K)

I Austrag

@ Wendelscheider (HuMPHRBY-Scheider, nach KIRCHBERO), daneben schematischer Rinnenquerschniu mit Veranschaulichung der Querströmuna

® Elektrowllzenscheider

® Schiittelherd

® Schwerflüssigkeitsscheider

~89netscheider für Fremdkörper

--~--, 1

@.' Flotationrzelle

Schnitt durch eine Flotationszelle mit BlasenfJerteilung nach dem Rotor/Stator-Prinzip

Abb. ~ Maschinen zum Sortieren von Feststoffen a) Aufgabe; b) unterer, bewegter Teil des Setzfasses; c) Membranen; d) Exzenterantrieb; e) Exzenter; f) Setzgultrllger; g) Querleisten; h) Leichtgutausläufe; i) Schwergutauslauf; j) Leichtgutrinne; k) TrUbe; I) Wasser; m) Produkt-Auffangrinnen; n) Luft; 0) lonisator; p) Bürste; _ schlechte Leiter; -0 gute Lei-ter. ~) ai!i:W .....

Rotor

Stator

Aufbereitung von Erzen u. Mineralien. Reinigen von Naturkies und Sand von organ. Stoffen, Wle Kohle, Torf, Holz, Mineralien.

Für sehr feinkörnige Feststoffgemenge, Gewinnung von Bleiglanz, Zinkblende, reinem Quarz; Abscheiden von Schwefelkies aus Kohle; großer Platzbedarf; großer Wasserbedarf, relativ kleine Leistung.

Unter dem Einfluß der Coriolis- Kräfte (-tt x W ) überlagert sich der L~ngsströmung eine Querströmung, die in der oberen Schicht nach außen, in der unteren Schicht nach innen strömt; für h~ma­titische Eisenerze, Schw8tmineralsande und Phosphorite; werden in großen Stückzahlen gebaut.

Für Kornbereiche zwischen d K=5 ~n bis 150 mm. Trennung durch

Trennflüssigkeit hoher Dichte mit ~~1300 bis 3500 kgjm 3 (Ferro­silicium-, Magnet- oder Schwerspat-, Ton-, Sandteilchen als Suspensoide), denn FA-gf ; keine Vorklassierung erforderlich, hoher Durchsatz, ausreichende Trennsch~rfe; Trennen von Mine­ralien, Sortieren von Kohle.

Trommel ist über gesamten Umfang magnetisch.

Für grobkörnige oder stOckige Stoffe bis d K ~ 160 mm. Nur be­stimmte schmale Zonen wirken magnetisch. Zur Abtrennung von H~atit, Kryolith, Siderit, Eisen aus Siliciumcarbid.

Trennen trockener, feinkörniger ( O.05(dK< 3mm!) Gemenge in Nichtleiter und Leiter: zun~chst werden durch ein E-Feld (20 bis 40 kV, Gleichspannung) alle Gutteilchen gleichsinnig z.B. negativ aufgeladen. Nach dieser Zone erfolgt eine teilweise Ent­ladung: gute Leiter werden @ geladen und wandern daher nach außen, schlechte Leiter bleiben e und haften folglich an der Walze; Sortieren von Schwermineralsande, Quarz und Feldspat,

Kabelschrott aus Fasern und Kunststoffen; Trennung von Kakao und Schalen (im Versuchsstadium).

Trennen von Gemengen aus vielen, feinsten, sehr oberfl~chenreicher Teilchen nach der unterschiedlichen Benetzbarkeit:

Hydrophile Gutteilchen werden durch Sammler (Tab.<, ) hydrophobiert:

Abb.9

--

- --- --",--- - ._---_ .. --

Prinzip der Flotation: hydrophile Erzteilchen werden durch Sa~ler hydrophob~iert und hangen sich an'-die hydrophoben Luftblasen, die durch Schau~e~stabilisiert werden. Die vom Sammler nicht hydrophob ierten Erzteilchen bleiben

'-" hydrophil und gelangen folglich nicht nach oben sondern bleiben unten liegen. Aktivat.Q1:'EtlU verbessern Chernj .so"'r~i<:)(1

der .s~~ "" l.e r an den Erzteilehen .

~,,~fte..t..: pq.rJ' i Vi~ rJ-;e. A~..ro"p.H"n .b'<.l &.\l1J'.lc.~V'q' AoIto"tHon

C'l"o( S4."" .... (lq.- CA",,<:," ClC"l nlt.~ ~ 4"~1.{ pLo +;~Gk.(\ a?~f ..... ol-i:,,"Lc.('l.

----------------D~~ROhr;~--q-d.~~-Fl~tationszelle muß die Trübe umw8lzen, sowie die

Luft vert(dlen und ansaugen. J)t~ AP~Y'4k.."A~C~",-kn ""...,~~~ ~

if\Sl~h",~ __ ,'-! kc €'1=l:~~J h.L",~ .. u kv{-b-.bl~.r(."<.q h\l; ~A-bt.;kcte-l A,.,-~ LJ \t~~L~A CJ\~ I ~~:~e : '.., ~ Vq~t\."'~ ® l.j t(o! ~~ ~~ ~

V(~"'~~ t2.o b~ lM.,o{ rh-- fUt<Sf\!.-" ~~of.c.." S ~~~ '-t~~\LAf~.,.a. L""f!. -e", f\t.~net) ~L~tc."'c.C) i.e.rblt.;l..f.·

•

Trübe in niedriger Verdünnung und annähernd richtigem pH -Wert

Säure/lauge

Aktivatoren I .----''----''-----, Pas 5 i va t or e n

K on zen t rat e----t...l~.!!l.E.!!._-l

Abfall IBe!gel Trübe

Sammler

Schäumer

-~-_.

Arbeitsgänge bei tkr Flotation

---_._------------------Trennung zahlreicher sulfidischer und oxidischer Erze (z.B. der

Fe, Cu, Ni, Co, Pb, Zn, W, Sn, Ti, Edelmetalle) von Verunreini­

gungen; Kohle Graphit, Kalisalze, Feldspat, Schwerspat von Verun­

reinigungen

Reini~ung vop Nahrungsmitteln: Erbsen, Weizen

phar~azeutische Stoffe: Mutterkorn-Abtrennung

pflanzliche Rohstoff-Gewinnung: Gummiharz der Wolfsmilch

_. -

Zusatz Beispiele Trennproblem

Sammler anionische: \

(1bJn~) S.

}s~ ~ Xanthogenate R-O-C-SNa (K)

(R: C2-C,-Alkyl) Dialkyldithiophosphate (RO)2 P - SNaCK)

, 11 S

(R: Ethyl, Kresyl) Xylyl ungesättigte Fettsäuren (z. B. Ölsäure) } Nich .. uIfid..,,,, Alkylsulfate R-O-SO,Na (R: CID-Cu ) Mineralien (l. B. Alkylsulfonate R-SO,Na (R: CID-CI,) Apatit, Kalk-Alkylarysulfonate R-C,H~-SO,Na spat, flußspat)

(R: C'D-C,~) ~

kationische: quartäre Ammoniumsalze Silikate, Haloge-. (R-NR;)6:lCle (R: C,-C16) nide, oxid. Zink-erze ...

nichtionische: a) unpolare: Petroleum vielseitig einsetz-

Öle bar b) polare: Vielmetallerze

S (hohe Selektivi-I tät)

Dithiocarbamate RI-NH-C-S-R2

S 8 .

Thiocarbamate RI-NH-C-O-R2

(l. B. RI: C2H" R2: i-C,H,) Thiocarbanilid (C6H,NH)zC-=S

Schäumer Terpenol (z. B. "Pine oil") } .. __ . Kresole Erzaufbereitun-Methylisobutylcarbinol (~IBC) gen Triethoxybutan Propylenglykolether Sulfidmineralien

pH-Regulierer NaOH, Na2CO" Ca(OH)z, H2S0~

Drucker Dichromat Bleiglanz (passiva toren) Stärke, Stärkederivate } verschiedene

Cellulosederivate (l. B. CMC, vergI. 6.2.2.4) Erzaufbereitun-EDTA gen

Aktivatoren CuSO~ Zinkblende ZnSO~ Blei-Zinkerze

Tab. 2. Hilfsmittel für d~ Flotation

---~---~._~~~~~~~.~~-~~~~~-:-----------------------

3.2 Trennkorndichte

In Analogie zur Trennkorngröße(GI (9» läßt sich aus

GI (8b)eine Trennkorndichte

S S'E~T (us,s::uf - urel=O, d.h. urel=uf ) berechnen nach:

2 3 lfK (Re) gf u f

4 g dK

(1 0)

U s,s =0 u f = u rel Partikel schwebt =')'Grenzkorn mit ~ K= §>.T

u s , s > 0 uf> u rel Partikel steigt äpLeichtkorn mitfK-t..fT

us,s < 0 u f <urel Partikel sinkt ~ Schwerkorn mit fK>fT

aus GI (lO) folgt:

~T = f{ufl, wobei sich u f in den Apparaten einstellen läßt.

laminar

Obergang

turbulent

Tab. 3

_ .. - --

REYNOLDS-Zahl Widerstands zahl Trennkorndichte §T (kg/m3 )

~ ----

Re < 1 wK .. 24/Re ls;.· SI' + ~g ~ 1.(~ ] (Stokes) ca ~k~

5 <Re <1000 w = 16/(R;1 3,.' 3-f + ~2.3-l. {;' (*J~ K

&

10 3 (Re(3 0 105 wK • 0,44 gT" Sf + O,l! Sf \.ltf ' 8 die. (Newton)

Trennkorndichten 3 T nach GI. (10) in Ab­

hängigkeit vom Strömungszustand

..

TC 11/4

Abscheiden: Ent.s . ..::hlämmen und Entstauben (Trennverfahren 11)

1 Einleitung

2 Entschlämmen

2.1 Apparate

2.2 Absetz- und Schwarmgeschwindigkeit

2.3 Absetzleistung und spezifische Klärflächenleistung

3 Entstauben

3.1 Apparate

3.2 Theorie der Zyklone (Aero- und Hydrozyklone)

3.2.1 Trennfaktor (Beschleunigungsverhältnis)

3.2.2 Absetzgeschwindigkeit

3.2.3 Trennkorngröße (Grenzkorngröße, Druckverlust und Durchsatz)

3.2.4 Absetzzeit, Verweilzeit

3.2.5 Abscheidegrad

3.2.6 Strömunqsgeschwindigkeiten- und Verhältnisse in Hydrc- und Aerozyklonen

3.2.7 Durchmesservergleich zwischen Hydro- und Aerozyklon

3.3 Theorie der Elektrofilter

3.3.1 Abscheidevorgang

3.3.2 Wanderungs geschwindigkeit (Absetzgeschw.)

3.3.3 Spezifische Niederschlagsfläche

3.3.4 Abscheidegrad (Entstaubungsgrad, Trenngrad)

TC 11/4

1 Einle}tung

Abscheiden:

- EntschlämmeD: Trennung von Partikeln aus Flüssigkeiten

im Schwerkraftfeld: Absetzen, Sedimentieren, Klären, Ein­dicken, Filtern

im Zentrifugalfeld:

mit Differenzdruck:

Zentrifugieren, Sedimentieren,

lTC 11/5

Filtrieren

Filtrieren

lTC 11/5

- Entstauben: Trennung von Partikeln (7röpfchen) aus Gasen

Trennbereich Druck- Abscheide- Energiebedarf Trennung Trennapparat verlust grad kWh/l000 m3 durch 11m mbar 070

Schwerkraft, AbsetutJume >150 0,5 <80 auch Prall Absetzkammern oder Stoß Prallfllter T, (F)

Zentrifugal- Zyklone (F), T >10(>2) 5 bis 15 70 bis 98 kraft Feinzyklone, Multi-

zyklone, Grobzyldone

Siebwirkung I Poren filter I >0,2 (>0,1) 2 bis 20 >99 0,4 bis 0,8 Gewebefllter, Filterkerzen (T),

Benetzung

SandSchichtf~T tb.k~ SO e:. d ~ wasc e ,(T) ~ >1 (>0,1) 10 bis 150 >99

Venturiwäscher, Sprühabscheider , Desintegratoren 5 bis 6

Elektrische I Elektrofilter YEGRJ F, T >2 (>0,03) 0,2 bis 1 >99 0,05 bis 1 Feldkräfte trockene EGR

nasse EGR

Tab. " Abscheiden von Staub und Tropfen. - F auch für feuchte Gase geeignet; T auch für Trop-fenabscheidung geeignet; ( ... ) Angaben beziehen sich nur "uf Sonderfälle.

Suspensionen grob fein trübe Suspensoide (Partikel in Flüssigkeit)

dK[f' m] "> 100 100 ... 0.5 0.5 ... 0.1 0.1. .. 0.001

Trennung von Suspensionen: ---..... - Entschlämrnen

Emulsionen:

Sch8ume:

Tröpfchen (disperse Phase) in einer Flüssigkeit (Dispersionsphase), Trennung in Zentrifugen

Gasblasen in einer Flüssigkeit. Schaumbildung: Flotation auf Seen und Flüssen (Umwelt); Schaumbekämpfung:

Zentrifugen, Ultraschallbestrahlung

St8ube, Rauch, Nebel (Aerosole): feste Partikel oder Tröpfchen in Gasen

Stäube / Wasser Zement Kohle Farbstoffe Fließbett- und Nebel verdüst Pigmente Flugstaubverf.

sowie bei pneu-mate Fördern

dK[r m] 40 .. 200 10 .. 100 10 •• 100 2 ..• 10 bis 5mm

Rauch/ ZnO Hütten- ölnebel NH 4Cl Kondensation V. D8mpfen; Nebel rauch H2S04 oder feste Teilchen +

Tröpfchen durch ehern. Reaktion

dJr m] 0.03 ... 0.3 0.01. .. 1 0.05 .. 1 0,1. .1 0,005 •.• 3

kritische TeilchengröBe bei Aerosolen im Schwerefeld, wegen Brown'scher Molekularbewegung.

Nebel

Staub von DUngesalzen

Kohlenstaub

Zement

Staub und Rauch in MetalihUtlen

Flugasche. Staub In Sinter- und Zerkleinerungsanlagen

Pollen

Sporen

Bakterien

Milchpulver

SI02-Staub (SilikOse veranlassend) I L-__ ~====~p~ig=m=en~te~=!------===:J

S03-Nebel

Ölnebel

! Staub In ruhender Außenluft L-____ -=~~~~~~,---~

Ruß

Tabaitrauch

Absetzkammer

==========~------------------------, Zyklone !

------------------;::::::====:::.::._=--:.::--:.::--:.:-:.:--=--:.::--:.:--=-:.::--::-.~--------- ... _---.. , Gewebefilter !

----------~====================._-----_ .. ... - ------------, Naßentstauber I

L _________ -;::::::===========~~ .. -_--_-_--_--_--_--J ------------------------------, . ____________ .. __________ .. _______ J Elektrofilter

~ __ LI.~.~.~~ __ ~m_lt_bl~oß_e_m_A~Ug~I~~~~I~-ht~.ba.~~~_~ __ ~I •.•.•. ~~~ __ L~ich_t_m_ik_ro~sk~1;~I~I~I~.~.~~~ __ ~~I~~I.~k.:r.on~e-nr.:'_kr~~,_·kOp~ ____ ~l~ ~ 1000 100 10 dK _ 1 0.1 ).I.m 0.01

Vi

Abb . .,., KorngröBenbereiche industrieller St~ube und zugehörige Abscheider

Folgerung: Abscheiden erlangt zunehmend Bedeutung im Bereich des Umweltschutzes

2 Entschlärnmen

zunehmend kontinuierlich (d.h. Rückstand wird ständig entfernt);

halbkontinuierlich: Rückstand wird periodisch entfernt

Dekantieren: Gewinnen der sich absetzenden Rückstände (z. B.

Pigmente, Mineralien, Salze)

AbschläITL'1len: Gewinnen der klaren Suspensionsflüssigkeit

2.1 Apparate

Rallmerstellllng I RäumersteIlung ]I

Ungsbecken mit Räumer

Trichterbecken Rundeindicl<er ® Abt.2 Absetzbecken - a) Einlaufschürze; b) Zulauf; c) Räumersch'ld; d) Schlc.rnmabzug; e) Krählwerk; f) gekläne FlüssigkeiL

1 für kommunale und industrielle Abwasserreinigung; quasi­kontinuierlich

2 für die Klärung kommunaler Abwässer

3 sehr gute Klärwirkung; bis> 130 m Durchmesser; bis 3000 t Fest­stoff/Tag; besonders in der Zellstoff- und Rübenzuckerindustrie; auch Mehretagen-Eindicker

4 Hydrozyklone (~TC 11/5) Durchmesser ~ 1 bis 100 cm

2.2 Absetz- und Schwarmgeschwindigkeit

Es gelten - im Prinzip - die Formeln für die Sinkgeschwindigkeit u I re

und der Trennkorngröße d T beim Klassieren (~TC 11/3, Tab.~ ).

Allerdings muß dieseS u I i.a. stark korrigiert werden, da die re Absetzgeschw. u <.,<. u I sind. Dies ist durch Sedimentations­a re Störungen bedingt, wobei drei Absetzphasen durchlaufen werden:

1. Absetzphase (Klärung ohne WW zwischen den Partikeln)

(d.h. ungestörte Absetzphase)

Ua = f(dK, Partikelform, Partikelgrößenverteilung).

2. Absetzphase (Zwischenzone mit WW zwischen Partikeln):

Partikel-Wechselwirkungen (WW)

Grenzflächenvorgänge

Ausweichströme verdrängter FlOssigkei t zwischen den sinkenden Partikeln

das sinkende Partikel-Kollektiv bildet scharfe Grenzfläche Schlamm/Klärflüssigkeit. Es sinkt mit der Schw1!r2!!ges..shwindigke~t_

ab:

z. B.

-ac u e Sus

a

c = 50 Vol.% Sus

Angenähert ist:

wenn

c Sus : Suspensionskonz.;

a Konstante

0.02 u a

uSch ~ u rel (~f =~ Sus 'I = I Sus )

3. Absetzphase

- Kompression (Verdichtung) des Schlammes

z. Z. nicht berechenbar ~ Absetzversuche in Standg18sern

Lithopone Disperse Feinsalz Weißpigment Rohkreide Kaolin Rotschlamm Phase ( ZnS/ BaSO 4) gemahlen Ton

USch (m/h] 2 bis 6 1,4 0,2 0,08 0,25 bis 0,3

/

für uSch < 0.05 m/h: Einsatz von Schwerkr8ften ist unwirtschaftlich

Erhöhung der Absetzgeschwindigkeit u durch: a

- ~~gu!a~io~ Bildung von Mikroflocken

- FlEck~9...: Bildung von Makroflocken

Cerreichbar durch !lock~ngs!!i:tt.!:.L (Kalkmilch, Eisenchlo­rid, Al-sulfat, aktive Kiesels8ure, wasserlösliche faden­förmige Polymere, wie Polyamide. Polyacrylate) sowie durch spezielle Eintragungsvorrichtungen und Paddel­rührwerke.

Die flockigen Sch8ume sind sehr wasserhaltig und zerfallen teilweise

in Wehren und Kreiselpumpen.

Zusammensetzung des Schlammes Feststoffe

Feinsalz Schwerspat, fein gemahlen Al20 l . 3 H 20, gefällt Lithopone Eisenoxid-Farbe CaCO j , gefällt Rohkreide, fein gemahlen Titanweiß (TiOv Kalkmilch 8 -10"70 Kaolin, Ton

Rotschlamm (BAYER-Verf.) Feinbraunkohle

Flüssigkeit

Salzsole H 20 Aluminatlösung verd. Lösung verd. Lösung NaOH-Lösung H 20 verd. HßO,

Aluminatlösung H 20

Usc~ m/h

2 bis 6 1,0 0,15 bis 0,5 1,4 1 bis 1,2 0,15 bis 0,25 0,2 0,1 bis 0,3 0,2 0,08; 0,7 mit Cao Zusatz 0,25 bis 0,3

S m2/(t h)

2,7 bis 3,9 2,3 bIs 5 8 bis 19 20 24 40 70 70 bis 80 112 120 bis 160

185 >300

Tab. 2. Typische Werte für die Absetzgeschwindigkeit u ~ und die spezifische Klärflächenleistung s.

2.3 Absetzleistung und spezifische Klärflächenleistung

a) ~~~tö~~~Absetzphase (verdünnte Suspensionen)

. v. = k S u J.n a (la)

V. = Absetz(Durchsatz-)leistung J.n

k = Sicherheitsfaktor (k=0,7 bis 0,8)

S = Klärfläche

S 1 k

. V. --±..!l u a

u = u l: Absetzgeschw. a re

( lb)

b) bei ~~törteE Absetzphase (3. Absetzphase) gilt:

. S 1

Je V.

ln u Sch,max

u Sch,max max. Schwarmgeschwindigkeit«ua

Klärflächenbelastung q . V.

ln S

3 m

Verweilzeit (Durchflußzeit) t v

t = v

V Becken '&.

ln

b 1 h

v. l.n

b, 1, h =

( 2 )

( 3 )

( 4a)

Breite, Länge und Höhe des

Klärbeckens (4 b)

t = v bis 2h (Kommunalbereich)

Folgerung aus Gl.(la):

wegen V. NS mögl. große Klärfläche, Höhe des Beckens geht J.n

nicht ein ( ..... Mehretagen-Becken)

. spezifische Klärflächenleistung S

• S S - ------=-----~2-

V. C . t ln S,ln v

in (5 a)

c . S,ln = Feststoffkonz. der Zulaufsuspension

S ist umso besser, je kleiner der Zahlenwert von S· . 1st.

mit V·. aus ln (2) folgt aus (5 a):

S = ,

kUh c. t 2 sc ,max. S,ln v

S IV -_-.-.:....'­u sch,max

~ Tab. Z

3 Entstauben

Sehr viele industrielle Prozesse sind mit der Staubent­

wicklung behaftet:

Kraftwerke

Eisen- und Metallhütten

Röst- und Zementöfen

Müllverbrennungsanlagen

(5 b)

Zerkleinerungs-, Sieb- und Sintermaschinen

Gewinnung von Pigmenten, Farbstoffen, Füllstoffen

Die Abscheidung von Stäuben und Nebeln aus Gasen muß erfolgen:

- wegen Umweltschutz

um nachgeschaltete Apparate vor Erosion, Verstopfung und sonstige Schäden zu bewahren

zur Gewinnung von staubförmigen Produkten (z.B. metall­

haltige Stäube)

Prinzip der Entstaubungsverfahren:

Erzeugen von urel zwischen Partikel und Trägergas durch äußere

Kräfte.

Für die Entstauberauswahl müssen u. a. beachtet werden:

geograph. Höhe und meteorologische Bedingungen am Aufstellort

Umweltschutz oder zur Materialrückgewinnung

Anzahl der Entstauber

Gastemperatur

physik., ehern. Eigenschaften des Gases und Feststoffteilchen

Rohgasstaubgehalt (g/m 3 )

Rohgas-Staubkörnung

Staubkonz. am Austritt (Sichtbarkeitsgrenze bei 50 ... 100 mg/m 3 )

(Reingasstaubgehalt)

gesetzliche Emissionswerte: ~

~ 150 mg/m 3 * 20 oe, 1 bar

Kosten, Ersatzteilbedarf und bisherige Erfahrungen bei ähnlichen Anwendungsfällen

3.1 Apparate

Absetzkammern

.. Rohgas S> Reingas -+ Staub 00. Schl3T

Einfache Abschüdevorrichtungen A Staubkammer; Bund C Umlenkabscbeider

Reingas

iJ Rohgas ... iJ'

I

Multiklon (Bauart LURGI) mit abgeknickten Reingasr Jhren 1 TrennzelJe, 2 Reingasrohr

(Vielzellenabscheider, Multizyklon)

Zyklone (Fliehkraftabscheider)

'x' ; : , '--I:.:::::i-

1" .. Rohgas S> Reingas ...... Staub

Zyklon "Ilit tangentialem Gaseintritt,

@ Gruppenanordnung von Zyklonen

Schlauchfilter

... c:::> ... Rohgas Reingas Staub

Filterkammer mit Schlauchfiltem

a Spüllufteintritt ; b Reingasklappe

Co Sewt..bCl$'Gl...I~tAott..

-a

.. Rohgas ~ Reingas -+ Trübe

Verschiedene Venturi-Bauarten

a Waschwasserzuführung

Abb·3 Staubabscheider

Wäscher (Naßentstauber)

.Jb

.. Rohgas ~ Reirgas -+ Trübe

Kaskaden-Scrubber a Wasservorhang; b Reflektor; c zum Tropfenabscheider (z. B. Naß,;yklon)

® .. Rongas ~ Reingas .... Trübe

Radialstromwäscher (Bauart LUllGl) a Flüssigkeitszufuhr durch Sprühdüse; b radialer Ven­turikörper; c Drallschaufeln; d Regelvorrichtung

Elektrofilter

2

~O-80 f,ev

Ro~as-

@ Grundform des Elektrofilters C g 6 t.)

1 Hochspannungserzeuger; 2 Isolator; 3 Sprühdraht; 4 RQhrelektrode; S Staubsammelbunker

1 schlechter Wirkungsgrad, nehmen viel Raum ein ~ verdrängt durch Zyklone und andere Filter

2 unkomplizierte Bauweise, hohe Betriebssicherheit, geringer Platzbedarf, niedrige Kosten, für größte Gasmengen, Grobstäube (~ 5~), hohe Rohgasstaubgehalte () mehrere 100 gjm 3 ), Vorent­staubung (zur Entlastung von Filtern), Gase können hohe Temp. aufweisen, Abscheidegrad für nicht zu hohe Anforderungen, Durch­messer (Aerozyklone): ~ 50 bis 600 cm.

3 bei sehr hohem Rohgasstaubgehalt und für sehr große Rohgasmengen, jedoch komplizierte Rohgaszuführungs- und Reingassamoelleitungen; Durchmesser der Einzelzyklone~ 1 m

4 für Entstaubung großer Gasmengen bis mehrere 100 m3 js; Durch­messer der Entstauberelemente:~5 bis 30 cm; einfache Zu- und Ableitungen, geringer Raumbedarf, niedrige Investitionskosten beliebige Grundrißformate und Bautiefen, wegen abgeknickten Reingasrohren (keine Ansatzbildung)

5 für hohe Anforderungen an den Entstaubungsgrad; für d K bis ~0.1 J'-m; Reingasstaubgehalte< 30 mgjm 3 ; Prallwirkung , Diffusion, Gravitation, elektrostatische Kräfte; das Rohgas durchströmt die Schläuche von innen nach außen; Filtergewebe soll mögl. gut gas­durchlässig sein und hohes Rückhaltevermögen für Partikel besitzen.

Luftfilter: Matten aus Metallspänen, Glas- oder ehern. Fasern, Papier

Filterkerzen: poröse, keramische, metallische oder Kunststoff­Formkörper; Gas strömt durch Hohlzylinder von außen nach innen; für Feinstreinigung von Gasen mit sehr geringem Staubgehalt.

6 für Feinststäube « 2 rm), die mehrere 100 mm WS Druckverlust erfordern; neben Abscheidung von Stäuben wird das Rohgas ge­kühlt und gasförmige Verunreini.gung absorbiert ~ Abwasser­probleme (Nebelschwaden durch im Abwasser gelöste Gase. Frost­und Korrosionsschäden, Toxizität).

7 ohne bewegte Teile, hohe Entstaubungsgrade auch für Feinststäube «2rm); durch große Gasgesch\'T. von 20 bis 300 m/s intensive WW z\'lischen Gas und Waschwasse::.-; Wasserbedarf : 0.3 bis 1 Qjm 3 ,

bei Kühlung oder Auswaschung bis 5 Q; in der chem. Technik weit verbreitet.

8 für große Rohgasmengen: Venturi-Wäscher in Rechteck-Ausführung, gute Verteilung des Waschwassers über den (großen) Querschnitt durch Sprühdüse

9 Aufwand für Personal, Material, Betrieb und Wartung ist sehr gering, da Anlagen automatisiert sind; geringer Verschleiß (Erosion), da u und Ap gering sind; zahlreiche Anwendungsge­biete, weite Verbreitung z. B. chem. Industrie (S02-haltige Gasreinigung), Eisenhütten- und Stahlwerke (Gichtgas, Konverter­abgase), Zementwerke, Rauchgase, Müllverbrennungsanlagen, Luft­reinigung (Tabakrauch).

3.2 Theorie der Zyklone (Aero- und Hydrozyklone)

3.2.1 Trennfaktor (Beschleunigungsverhaltnis)

Pr i l.\.\~ r -~, rb.e.\

Abb. 't

V

u t,p

D

u r u

ut,f + a(r)

Jl

u

.$~k 1.l.1A.~Ö:"'­w\rbel

Standardaerozyklon und Berechnungsgrundlagen

1 Rohgaseintritt; 2 Reingasaustritt über axiales Tauchrohr; 3 Staubaustritt

t,p

Luftdurchsatz

tangentiale oder Umfangsgeschw. der Partikel auf einer Kreisbahn mit dem Radius r

Durchmesser des zylindr. Wirbelraums

radiale Geschw. der Partikel

absolute Geschw. der Partikel

Umfangsgeschw. des Fluidsf(Strömung)

Zentrifugal beschleunigung in radialer Richtung

Höhe der Trennkammer

Für die Zentrifugalkraft (Fliehkraft) FF gilt:

2 2 u u t (r) FF = m a(r) = m ~ gs Vs ,p

s s r - r

Der Trennfaktor (Beschleunigungsverhaltnis) ist:

2 u t (r) ,p

Z a(r)

g

Aerozyklone:

Hydrozyklone

r g

Z ~ 4 bis 200

Z ~ 10 3 bis 104

Bemerkung zu Gl.(7):

( 7 )

( 6 )

Wegen der Gefahr von Verstopfungen liegt die untere Grenze für

den Aerozyklon-Durchmesser bei D> 5 bis 30 cm.

3.2.2 Absetzgeschwindigkeit

Bei den H~~o~~lo~e~gilt die Kraftebilanz analog zur laminaren

Sedimentation:

oder

mit wK( Re)

F = W

(8a)

24/Re[analOg GI. (8b), TeII/3 ]

a(r) Hydrozyklone (8b)

2 u t,p

worin die Fallbeschleunigung g durch a(r) _ Z g =-----­ ersetzt r

wurde.

Nach Gl.(8b) folgt sofort die Begründung der besseren Trennwirkung

bei größerem Z> 1, infolge erhöhtem U (NZ). a

Für ~e~~~kloB~spielt der Auftrieb FA in der Kräftebilanz keine

Rolle (FA=O):

F = W

(8c)

oder für den laminaren Bereich (wK= ~!) folgt aus GI. (8c)

u a

d 2 D K;) s

3.2.3 Trennkorngröße

a(r} Aerozyklone (8d)

Für EYd~~k!9E~ergibt sich die Trennkorngröße d T aus der

Bedingung {urel = q 1 (9a)

worin mit GI.(8b} für a(r) = Z g folgt:

= 18~ . q (9b)

bessere Trennwirkung (Z groß) kleineres d T

-1 Mit Z g =(D/2)u 2

1 und A p = "2 ~ Sus u 2 ergibt sich aus GI. (9b):

18~ q Dg sus

(Ss -~ f) 4Ap

• Halbempirisch gilt für V:

-t.,

(9c)

A p : Druckverlust im Hydrozyklon

. V

'rD .e. (9d)

Gl.(9d) in Gl.(9c):

-. Ag] 'J) Lf 'y !. I

d ~ (ge) _.., !L.t!

(fS-.Pf)~ .6f T tt'r

Gl.(9c) ist noch stark

nur für einen schmalen

Hydrozyklone

Dichte der Suspension

Dichte der Flüssigkeit

vereinfacht und d l'V ~ - ~. "., f[)1 gilt T ~ (D'

Baugrößenbereich.

Im Kräftegleichgewicht Fw = FF ändert die Partikel ihre radiale

Lage nicht. Durch die axiale Geschw.-komponente des Fluids (Gas­

durchfluß V, FG und Sekundärströmungen) wird sie jedoch nach unten

gedrückt und abgeschieden.

Für die Grenzkorngröße

I urel = u t,p

Mit Gl.(8d} folgt für

gilt die Bedingung:

a( r) ::

(IOa)

2 u t,p r

(lOb)

Eine genauere Berechnung führt zu:

., 3

V g.f- (Y-l; - r-,)

Ir tV 'Lltlr~S

.

Aerozyklone

Absetzweg

( lOc)

N~ 1, 5 Zahl der Umläufe des Gases um das Tauchrohr

Druckverlust und Durchsatz

mit .

(lla)

UD! fiktive 2~ial~ Gasgeschwindigkeit

W: Widerstandsziffer

V (llb)

folgt

Ap= (llc)

... für große Durchsätze steigt 6 p NV2 (D=const.) stark an.

2PI+I GröBeres D ist jedoch schlecht, da wegen a (D)~l/D der

Trennfaktor Z stark abnimmt ~ Multizyklone (Aero- oder

Hydrozyklone), d.h. Parallelschaltung vieler kleinererZyklone.

3.2.4 Absetzzeit, Verweilzeit

Für A~~zy'kloE~ gelten:

Absetzzeit t des Staubes a

t a (l2a)

Verweilzeit t v des Gases im Aerozyklon:

(l2c)

u t,p (l2b)

Staub setzt sich unvollständig ab

unnötig lange Verweilzeit

aus GIn. (12a) und (12b) folgt aus (l2c) für die Dimensionierung

von Aerozyklonen:

1 =-

1- '2..7 N \La.­

tLL t (r)

T ges =

3.2.5 Abscheidegrad

Es gelten die GIn. (1), (2a), (2b) für Trenngrad T, Gesamtent-

staubungsgrad (Fraktionsentstaubungsgrad) T und Durchlaßgrad P ges

( ~TC 11/3):

T ges l~sst

c &-c,F~ LI.( I ,~

== ,.-t _ CK, .t.)(

C,< I i '" CK,FG -

c K . ,ln

( 13 )

c . K,ex· Staubkonz. im Reingas

(g/cm 3 )

Staubkonz. im Rohgas

(g/cm 3 )

sich bisher nic~t berechnen, da er von vielen Einfluß-

größen abhangt~

1

o(~

) Koagulation, Zermahlung harter

r""rt je" I Pörtikel )

T nimmt zu T,r fallt ges ges

Abb. S- Kennlinien des Fraktionsentstaubungsgrades Tges(dK)

a: theor. Entstaubungskurve (alle Körner mit d K >dT werden

abgeschieden, alle Körner mit d K < dT gelangen ins Reingas )

b,c:rea1e Kennlinien, je steiler die Kurve, umso trenn­scharfer

Erkl~rung für T (dK): im Bereich des Stokes'schen Gesetzes der ges

Zyklone gilt

3.2.6 Strömungsgeschwindigkeitep.- und Verh~ltnisse in Hydro- une

Aerozyklonen

Die spiralförmig kreisende Umlaufströmung (Spiralströmung, loga­rithmische Spirale) bildet eine stabile Wirbelsenke mit einem Luftkern an der Kegelachse, der etwa den Durchmesser des axialen

Tauchrohrs (Wirbelsucher) hat.

=r.,~Il(\;j~_.~\M Q. Y" -

wirb~

~', Vbd u.\A..\. -\c.~r Ch{ "'-'L p~ So ,0,",

~\o.CA4~­t.+t-O~

Abb ~ Hydrozyklon I Suspension.eintritt (Einlauf); 2 Schlammaustrill (Unterlauf);

3 Austritt der KJa.rf1üssigkeit durch deo Wirbel.sucher (Uberlauf)

't ~ ""ok.,o Lv- (tN 'IV' b t,t~ tA(..~ u )

Das dreidimensionale Strömungsfeld , "d 1 *" welcht von elner 1 ea en

Wirbelsenke ab durch:

Zustrom

Wandreibung

innere Reibung des Fluids

Abstrom

Zyklon-Kegel

~ es gibt nur N~herungsrechnungen.

'Ll r., <. 'U..r r 2. <:::.. 'Llr,3

r. 'U... r =- COlA.S ~

Zwischen der Umfangsgeschwindigkeit u t f (f u t ) des Fluids und , , P

der radialen Koordinate r des Zyklons gilt:

PI r Hydro- und Aerozyklone

Cl: Konstante

PI = f (Anwesenheit von Partikeln)

( 14 )

= 1 reibungsfreie Wirbelströmung (Erhaltung des Drehmoments)

= 0.5

-1

0.85: reibungsbehaftete Wirbelströmung

Industriezyklone (z.B. auch Planeten, Elektronen)

starre Körper (z.B. Zentrifugen), Wirbelkern (auch Partikel in Zentrifugen, ~ TC 11/5)

GI. ( 14 ) in GI. (6) für P1=0.5:

2- 2-

~Cr) = 'U..-t tf. C'" :-CO",,"-tt-

~

'("' l. r .... -t--1 .,2. (15a) r

oder mit GI. ( 7) :

o.(r) C:::s 2- CO~.t1-

~(r) ::.- '}- r l r",+'1 -~ - ~ r2.

(15b)

Folgerung aus Gln.(15):

1. a und Z sind abhängig von r

2. Trennfaktor Z umso gröBer, je kleiner Zyklonradius und konische Verjüngung des Zyklon

6

m/s ~Kräfte-Gleichgewichtslinien (Kegel­mantel) für 2 Partikel d l , d 2 ·

2

O~--------1-~~~~r 1S

m/s ')1 . 10

"1;..,f 5

O~-------+--r-~~~ 0,2

11. m/s '-Lr q1

Abb. 7L Strömungsgeschwindigkeiten im Hydrozyklon ut f Tangentialgeschwindigkeit (Umfangsgeschw.); u

, ax Axialgeschw.; u Radialgeschw.; r radiale Koordinate

r

Partikel mit dl'<: d T

Partikel mit d 2 ')dT

haben u > 0 ax

haben u ~ 0 ax

zum Oberlauf

zum Unterlauf

P I = 0.5 und GI.(14): const. (15c)

3.2.7 Durchmesservergleich zwischen Hydro- und Aerozyklon

Aus GI. (8b) und GI.(15a) folgt für Hydrozyklone H . •

~,H I'V (gs -ff) I (16a) ~ H

Aus Gl. (8d) und GI. ( 15a) folgt für Aerozyklone A . •

I ( 16b) l.la,A IV 8s r 2 A

Fürl u'a, H = ~,AI folgt aus GIn. (16a) und (16b):

r H W. = 1-- <. I (16c) r A ~s

Beispiel: .Js :::>2.10 3 kgjm 3

j f = f H20 10 3 kgjm 3

~ DHydrozyklon< DAerozyklon

3.3 Theorie der Elektrofilter

3.3.1 Abscheidevorgang

Abb.S Vereinfachte Darstellung des Abscheidevorganges 1 Hochspannungserzeuger; 2 Sprühelektrode; 3 Elektro­nen; 4 Neutralmoleküke; 5 ionisierte Moleküle; 6 gela­denes Staubteilchen ; 7 abgeschiedenes Staubteilchen ; 8 Niec'~!"Schlagselektrode

~ r H ~ 0.71 = = r A

( l6d)

3.3.2 Wanderungsgeschwindigkeit (Absetzgeschw.)

Die Absetzgeschw. u der geladenen Staubpartikel erfolgt mit der a Kräftebilanz:

FW =

F = n (dK) e E E max

mit

E nmax(dK) 4lt'" fo =

e

FE (A:t)

(18a)

LI + 2

E -1 r

E. +2 r

FE die auf ein geladenes Teilchen wirkende Kraft im elektrischen Feld

E e

el. Feldstärke Elementarladung

absolute DielektrizIäts­konstante

(18b)

max. Anzahl von Elektronen, die eine Partikel mit d K der relativen Dielektrizitatskonstanten e an ihrer

r Oberflache aufgenommen hat.

~ mit rr-= 24 IRe

r..... Fw = 3" IU d K ( 19 )

GIn. (19) und (18a) in (17):

U = a,th (20a)

u a,th theor. Absetzgeschw. (Wan­derungsgeschw.) der Partikel

für Schwebeteilchen mit dK ~ 2"" m: bis 10 Ua,th + f(dK ) infolge des

elektrischen Winds

"II::::::~ I u ~ 3 bis 18 m/sl -~ a,exp _ in techno Anlagen

3.3.3 Spezifische Niederschlagsfläche

für den Röhrenfilter gilt:

f == A

= v

A Niederschlagsflache

f spezifische Niederschlagsfläche

r Radius des Röhrenfilters

Q Elektrodenlange

u f : Gasgeschwindigkeit

V : Gasvolumenstrom (Gasdurchsatz) des Rohgases

t v : Verweilzeit des Gases im Elektrofilter

( 21 )

(20b)

3.3.4 Abscheidegrad (Entstaubungsgrad, Trenngrad)

nach GI.(13) ist:

I -c K,ex c . K,ln

= I - (22)

a= 0.5 bis I : "Sicherheitsfaktor" (empirisch)

u nach GI.(20a), besser empirisch nach (20b). a

Herleitung von GI.(22) für a=l

CktL.X J d~~ _

CI(, ;"

h CI.(, L>( ... -ru~ 4

lt.(~ A = -Cu ,il.., .

V/t \I A C«.,AX. - tt{~--:-

=-;> \I • - L

Ct.{, ''-1

<t{~ A CL( I .IX. - -.

T==' '1 - -1-- V ~, ;l.. =' t-

!l GL (ZL) ~~Ir Q-/f

TC 11/5

Filtrieren, Abpressen und Zentrifugieren (Trennverfahren 111)

1 Einleitung

2 Apparate

2.1 Filterapparate

2.2 Pressen

2.3 Zentrifugen

3 Filtrieren

3.1 Filtrationsvorgänge

3.1.1 Kuchenfiltration (Oberflächenfiltration)

3.1.1.1 Grundschema

3.1.1.2 Filtrationszyklus

3.1.1.3 Betriebsweisen

3.1.1.4 zeitlicher Ablauf und Zeitbedarf des Filtrationszyklus

3.1.1.5 Anwendbarkeit

3.1.2 Tiefenfiltration (Bettfiltration)

3.1.2.1 Grundschema

3.·1.2.2 Filtrationszyklus

3.1.2.3 Betriebsweisen

3.1.2.4 Filtratdurchsatz und Partikelgröße der Suspension

3.1.2.5 Vorkommen

3.1.2.6 Anwendbarkeit

3.1.3 Siebfiltration

3.1.3.1 Grundschema

3.1.3.2 Normalfiltration und Membranfiltration im Vergleich

3.2 Theorie der Kuchenfiltration

3.2.1 Filtergleichung bei inkompressiblen Filterkuchen

3.2.2 Filtergleichung bei kompressiblen Filterkuchen

3.2.3 Entfeuchtung des Filterkuchens

3.2.4 Trenngrade(Trennwirkungsgrade)

3.3 Theorie der Osmose und Revers-Osmose

4 Zentrifugieren

4.1 Theorie der Zentrifugen

4.2 Zentrifugalfiltration

4.3 Zentrifugalsedimentation

4.3.1 Absetzgeschwindigkeit

4.3.2 überlaufzentrifugen

4.3.2.1 Klärflächenbelastung

4.3.2.2 Trennkorngröße

4.3.2.3 Äquivalente Klärfläche

4.3.2.4 Klärzeit

1 Einleitung

Filtrieren:

Trennung grober bis feinster (schwer absetzbarer) Suspensionen durch

Anlegen einer äußeren Druckdifferenz. Möglichst vollständige Ab­

trennung fester Teilchen oder Tröpfchen aus einem Fluid (Gas oder

Flüssigkeit) mit Hilfe eines Filtermittels (~TC 11/4, Abscheiden):

SlA...Sp.u,wi O~ ( T~ 6e I

~l QV\..t~

Das Filtermittel ist i.a. nur für eine Komponente des Einlaufge­

misches durchlässig: es hält feste Komponenten -unter Ausbildung

eines Filterkuchens - zurück und läßt das Filtrat hindurchtreten.

Trübekonz. am Eintritt

Klärfiltration c;S . <. 0,1 %; Gewinnung der Filtrate) ,ln

Trennfiltration ( c S ' > 1 %; ,ln Gewinnung von Rückstand und Filtrat

Kuchenfiltration

Tiefenfiltration

Siebfiltration

(Oberflächenfilter) }

(Bettfilter)

Suspensions- oder

Normalfiltration

~ Membranf il trat ion

~Ultrafiltration (umgekehrte Osmose)

(Aus-)Pressen

Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten, wenn der Feststoff

zellular oder schwammartig ist:

Gewinnung von Fruchtsäften (keltern) und pflanzlichen ölen

Wasserabtrennung aus Rübenschnitzeln, Kohleschwamm und Zellstoff

Wasserabtrennung bei der Emulsionspolym. von synthet. Kautschuk und PVC

Naphthalin als Warmpreßgut bei der Teeraufbereitung

Zentrifugieren

Filtrations- und Sedimentationsvorgänge lassen sich durch Zentrifu­

gieren stark beschleunigen

fest/flüssig Trennung

flüssig/flüssig Trennung Separation (z.B. 2 ineinander unlösl. Flüssigkeiten)

flüssig/flüssig/fest Trennung: simultane Separation und Sedi­mentation

- 2-Phasen-Trennung ~geklärte, leichte Flüssigkeit ~schwere Flüssigk., welche die festen

Partikel enthält

c.. Flüssigkeit - 3-Phasen-Trennung ___ Flüssigkeit

'\...--. eingedickter Feststoffschlamm

e

®

2 Apparate

2.1 Filterapparate

Art der Differenzdruckerzeugung (Vakuum, Druck)

Anordnung u. Form der Filterfläche: horizontal, vertikal, ein­oder beidseitig der Stützkonstruktion, einteilige oder mehrteilige Filterfläche

Art der Kuchenabnahme

Art des Nachpressens

a

lt G) Karussellnutschenfilter (Kippwannenfilter)

(EIMCO, Sah Lake City/USA)

Nutsche a Aufgabe; b Filtration; c" C2, C3 Entwässerung; d" d 2 Waschen; e Entleerung durch Kippen

~""~~- Filterpresse (';>(0.. .. ~~LtU' 1 Trommelfilter

Aufgabe Wosthfrit~t-W;,;;- - - -- -; I ~ ~ : ... l.Waschzone 2.Woschzone Trockenzone, . d

I Transportban

~ Filtergewebe

Flltrot

Bandfilter mit Gegenstromwäsche (LURGI). daneben Schnitt durch Bänder. .

a Filtertuch; b gelochte Gummibandunterlage; c Transportband; d Laufrolle; e Gleltnemen; f Saugkasten

®

Innenfilter

schwammige Masse, durch die das Remwasser

zum Auslaulrohr.lUleOt

o a

p

~ Sandfilter

Aufbau eines gewickelten Moduls (Roga-Modul Anordnung der Module in einem Druckrohr RHEINSTAHL. Essen) (Roga-Module)

Abb . ...., Filterapparate a) Filterschicht; b) Filtertuch; c) Filterplatte; d) Filterkuchen; e) Zulauf; f) Trommel mit Filtertuch; g) Filtrat-Ablauf, Vakuumanschluß; h) Ableitung der Luft, Vakuumanschluß; i) Druckluft zum Abblasen des Filterkuchens und Reinig~n des Filtertuches; j) Ansaugzone; k) Trockenzone; I) Waschen; m) Abnahmezone; n) Absetzzone; 0) Überlauf; p) Zulauf

von Wasser, <f.) (t.c.!P~'·O<A

1 als Saug- oder Druckfilter zur Filtration kleinerer Feststoffmengen; Absetzung organischer Lösungsmittel; Nutschen sind weit verbreitet

2 automatische Nutsche (bis 200 m2 Filterfläche) für größere Durch­sätze, unempfindlich gegenüber Suspensionseigenschaften; zur Ab­trennung des Gipses beim Naßverfahren zur Herstellung von Phosphorsäure;

3 Druckfilter (bis 20 bar), dessen Filterkuchen relativ einfach herausnehmbar ist. Bis über 100 gerillte Filterplatten; universell anwendbar in der keramischen Industrie, Grundstoffindustrie, Ab­wassertechnik, Kerntechnik: z.B. Bier, Speiseöle, Würze, Wein, Fruchtsäfte, pharmazeutische Flüssigkeiten, Wasserentkeimung

4 am meisten verbreitet; kontinuierlich, betriebssicher, relativ einfache Konstruktion, wirtschaftlich; hydrostatisch, mit Vakuum oder Druck; Reinigung von Abwässern aus Papierfabriken

5 für leicht sedimentierbare Suspensionen: Sedimentation und Filtration verlaufen gleichzeitig.

6 Tiefen- oder Bettfilter;Sand- oder Kies-Schüttung 0,3 bis 2 m hoch; hydrostatisch oder als Druckfilter; Reinigung von Trink- und Brauchwasser, Säfte und Getränke-Lösungen, pharmazeutische Pro­dukte, flüssige Brennstoffe

7 Kontinuierlich; Filtrat wird durch Vakuum abgesaugt; für gut filtrierbare Suspensionen mit gröberen Partikeln, schonende Partikelbehandlung möglich, Filterfläche nur bis 20 m2

8 Membranfilter: Durchflüsse gehen mit abnehmendem Porendurchmesser sehr stark zurück ~ große Filterflächen auf mögl. kleinem Raum; Wasserentsalzung für Kesselspeise- und Trinkwasser; Druckfiltration; zur Vermeidung von Verstopfungen unbedingt große Strömungs ge­schwindigkeiten (turbulent). Dichtungsprobleme; zukünftige be­deutende Anwendungsmöglichkeiten: Filtern von Makromolekülen, Kolloiden, Bakterien in Lösungen, Rückgewinnung von Farbstoffen aus org. Lösungsmitteln (oder Spritzwässer) in der Autoindustrie, Filtern von Enzymen, Gewinnung von Proteinkonzentrat aus Molke.

Filtermittel

Zusammenfassend lassen sich die Filtermittel durch nachfolgende Kriterien charakterisieren:

1. Trennkorngröße, also jene Feststoffkorngröße, die das Filtermittel gerade noch durchläßt.

2. Durchlässigkeit; hohe Durchlässigkeit bedeutet geringen Druckverlust.

3. Chemische Beständigkeit gegenüber dem Filtrat. 4. Neigung zum Verstopfen, vorzugsweise bei Gewe­

ben für die Kuchenfiltration. 5. Mechanische Festigkeit gegenüber den Beanspru­

chungen beim Rückblasen oder bei ablaufenden Filtertüchern.

6. Glatte Oberfläche, die das Abnehmen des Kuchens fördert.

Die Vielfäl­tigkeit der Filtermitteleigenschaften hat im Schrift­tum zu unterschiedlichen Einteilungen geführt, vor­teilhaft erscheint die folgende:

Lochbleche, Siebe, Spaltsiebe Gewebe

Schichten, Filze, Vliese

Schüttungen, Haufwerke, Anschwemmschichten Poröse Massen Membrane

2.2 Pressen

Korbpresse a Preßgut; b Siebkorb; c Preßstempel; d Auffangrinne

c-

Schnecken presse (KRUPp HARBURGER EISEN­UND BRONZEWERKE. Hamburg) a Seiher; b SchneckenweIle; c Getriebe

Abb. ~ Pressen

Mantelseiher mit rechteckigem Querschnitt

a Seiherplatten ; b Rippen zur Abstützung; c Ablauf­kanäle; d Tropfnase; e Auffangtasse; f Kolben; glose Bodenplatte

Pressgu\ \

~

~L-~----~---*----t-------~/ .:

lL\ _J voren~\Vosserungs- b I J \::!:J ~ zone Presszone--l--Scherzone

Siebbandpresse (A. KLEIN. Niederfischbach( Sieg)

a Siebband; b Stützwalzen; c Preßband; d Andrück­walzen; e Schaberabnahme des Preßkuchens

1 gehört zu den ältesten u. einfachsten Pressen, zur

Saftgewinnung aus Früchten (Keltern); Chargenbetrieb

2 wesentlich effektiver durch Drücke bis 350 bar; Chargenbetrieb

3 kontinuierlicher 100 bis 300 bar; Schmelzen, z.B.

Betrieb; ursprünglich für Speiseölgewinnung; Abtrennung von Isomeren aus kristallisierten

Naphthalin, Chlorbenzol, Xylol

4 Schonendes Pressen ohne großen Abrieb, Entwässerung von Schlämmen, kontinuierlicher Betrieb

1 Prinzip der Filtrations- oder Siebzentrifuge (perforierte Wandung)

2 Grundtyp der kontinuierl. Siebschleudern: Schnecke fördert Feststoff aus; besonders hoher Durchsatz; Entwässerung kristalli­ner Stoffe: Feinkohle, Düngesalze, Kunststoffgranulate, Milch­zucker aus Molke, Rohrzucker, Zellstoff- und Textilfasern

3 gehört zu den automatischen Filterzentrifugen; ein Schubteller bewegt den Filterkuchen periodisch in axialer Richtung bis zum Abwurfrand, dreistufig mit Trommel zunehmenden Druchmessers; Kali- und Salzindustrie;

4 als Großraumschleuder bis 2,5 m Durchmesser für höchste Kuchen­leistungen gebaut; anorg. u. org. Kristallprodukte: Stein-, Kali­salz, AI(OH)3' Eisen- und Titanoxide, Paraffin, Insektizide, biolog. Produkte (Obsttrester, Fischmehl, Eiweiß, Stärke, Anti­biotika) .

5 Prinzip der Sedimentations-Zentrifuge (Vollwand- Zentrifugen mit nicht-perforierter Wandung): Suspension und Wandung rotieren gemeinsam

6 V~II_wC!n(J::-QQ~EJa.:_~f~~_~~E_:!:f_':l_~~ mit Schlammaustragsschnecke : wich-_!:..igst~!:._~enj;J::i:l,=!g~t.Yl2 in der Aufbereitungstechnik; zur Klärung von Suspensionen, zum Eindicken von Schlämmen und zur Stromklas­sierung: Entwässerungdekanter für Feinkohle, Kali- und Steinsalz, Rohphosphat, Soda; Klärdekanter für Kalkmilch, Kali- und Natron­lauge, Katalysatorabscheidung, Lebensmittelindustrie (Obstsäfte, Pflanzenöle, Lactose aus Molke, Schokolade)

7 Se2a~a~o~~~ werden zahlenmäßig am häufigsten eingesetzt (Milch­separator); klassischer Separator ist die Tellerzentrifuge: bis ~160 Teller, ~4400 Ujmin, Z~bis 7500 (bei u t f = 160 mjs), bei , Z(4900 für den mittleren Tellerdurchmesser beträgt die äquivalente Klärfläche 270000 m2 . Die Suspension wird in schmale (~lj10 mm) Lamellen zerlegt, wodurch sich der Absetzweg stark verkürzt; Eindickunq von Kaolin und Bentonitsuspensionen, Reinigung von Diesel- und Rückstandsölen, Phosphorsäure, NaOH, Teer, Benzol, Bier, Wein, Tier- und Pflanzenölen, Säfte, Antibiotika, zur Abscheidung von Hydroxiden, Katalysatoren, Aktivkohle

8 für höchste Z-Werte (Zi13000 bis 17000, Z~n2 D) bei n=14000 bis 18000 U/min1zur Feinstreinigung für Suspensionen mit sehr geringem Feststoffgehalt; Reinigung mineralischer und vegetabiler öle, Seifenherstellung, Lack- und Firnisindustrie, zur Abscheiduns von Viren, Gewinnung von Kaugummi, Impfstoffen, Blutserum

9 gehört zu den Vollmantel-überlaufzentrifugen mit selbsttätigem Schlammaustrag, wobei allein die Suspension rotiert; weit ver­breitet bei Flüssigphasen-Prozessen; einfacher Aufbau und Betrieb, hohe Durchsätze, relativ geringe Kosten; großer Mangel am Ver­ständnis der Strömungsverhältnisse; Fehlen von Modellgesetze (Scale-up Problem): die Rotation der Suspension wird durch tangent. Zufuhr unter Druck erzwungen, während einer doppelten Wirbel­strömung von Primär- und Sekundärwirbel entmischt die Suspension ~ suspendierte Partikel wandern an die Zykloninnenwand und bil­den den nach unten laufenden Schlammstrom, der im Unterlauf aus­tritt und die Apexdüse hydraulisch verschließt. Die geklärte oder verdünnte Suspension wandert mit dem Sekundärwirbel durch das Tauchrohr zum überlauf (~ TC 11/4).

1. Pbasentreonung Fest-Flüssig Eindickung Klärung

Totalklärung Teilklärung

Kreislaufwasserklärung (im Nebenstrom) Vorklärung (mit konventioneller Nach­klärung)

2. Bebandlung quasistabiler Mischpbasen Reinigung von Feinsuspensionen Reinigung von Emulsionen

3. StromkIassierung Entschlämmung

Unterlauf-Rückgewinnung Entgriesung

Überlauf-Rückgewinnung Kreislaufmahlung Bildung von Anschwemmschichten

Schlämmung (auch mehrstufig)

4. StromsortIerung nach Gleichfälligkeit nach Kornform selektive Klassierung (anti parallele Korn­verteil un g) Schwertrübeverfahren (Schwimm-Sink­Sortierung)

Tab. 1 Anwendungsbereiebe für Hydrozyklone

cf>~ ,,~~ <&

I§O

v"

, '0"o ~

~O_,-

Tab. :4 Beispiele für den Arbeitsbereich technischer Zentrifugen.

max. Durchsatz Beschleunigungs-Zentrifugentyp Zulauf Feststoff ziffer i:~ mJ/h t/h

Fillralionszenlrifugen Schälzentrifuge 35 250 bis 3000

Schnee ken -Siebzentri fuge 10 1000 bis 3000

Schnecken-Siebzentrifuge 60 200 bis 1000

Schubzentrifuge 25 220 bis 1500

Sedimentationszentrijugen Großraum-Füllzentrifuge 30 300 bis 2000

Großraum-Überlauf-zentrifuge 80 300 bis 2000

Schnee kenaustragszent ri fuge 20 150 bis 3000

Tellerzentrifuge ohne Schlammaustrag 20 6000 bis 12000

Tellerzentrifuge mit Schlammaustrag 20 3500 bis 6000

Röhrenzentrifuge 3 9000 bis 50000

J'

'C~

Abb. 4- Beschleunigungsziffer qotordurchme,ser J)und Dreh­zahl n von Zentrifugen.

Feststoffgehalt im Zulauf Filtrat Sediment ) "70 (tL~ckS~

35 bis 40 trübe bis klar 2 bis 15070 trocken 20 bis 70 trübe bis klar 2 bis 15070 körnig-trocken 20 bis 70 trübe bis klar 2 bis 15070 körnig-trocken 20 bis 90 trübe bis klar 4 bis 15070 trocken

noch fließ fähig klar bis trübe 20 bis 40070 pastös

< 5 5 bis 30 trübe körnig-trocken

bis 1 klar pastös-fest

bis 10 klar pastös-fest Spuren klar pastös-fest

3.1.1.2 Filtrationszyklus

die Filtration, fangen wird

wobei anfangs das Trübfiltrat getrennt aufge-

Entwässerung des Kuchens von Restfeuchte, Mutterlauge, Lösungs­mittel durch Luft. NEU: durch Auspressen des kompressiblen Filterkuchen

Waschen (anstelle der Entwässerung oder zusätzlich) mit einer Waschflüssigkeit, die noch vorhandene Restflüssigkeit im Kuchen verdrängt

zusätzlicher Entwässerungsvorgang

Entfernung des Kuchens

Reinigung des Filtermittels, meist durch Waschen

3.1.1.3 Betriebsweisen (nach Art der Kräfte, die die Strömung der Sus----------pension durch Filtermittel und Filterkuchen bewirken) :

Druckfiltration: bis zu einigen bar; bei feinkörnigen, schleimigen und kompakten Kuchen

Saugfiltration: relativ geringer Unterdruck auf Filtrat-

(Unterdruck- oder seite; bei mittelgut filtrierbaren Sus-Vakuumfiltration) pensionen; einfaches weitverbreitetes Ver­

fahren in Labor und Industrie, das den ei­gentlich diskontinuierlichen Vorgang kon­tinuierlich macht.

Hydrostatische Filtration: hydrostat. Druck durch Flüssigkeits­

säule der Suspension, nur bei leicht fil­trierbaren Trüben

3.1.1.4 Zeitlicher Ablauf und Zeitbedarf des Filtrationszyklus

Zeitlicher Ablauf

. Filtration bei V = const.

selten angewandt, da4P mit zunehmender Filtrationszeit t steigen muß (~p f const.)

Filtration bei ~P =const . häufig angewandt

Abb.6

V

t . V

AP

. V rconst.

Filtratvolumen

Filtrationszeit

Filtratvolumenstrom

Filtrationsdruck

cowf-

I •

I I

t

Verlauf von V als Funktion von t bei

2 verschiedenen Filtrationsdrücken

mit zunehmender Zeit t nehmen V und l\e,I.\_~Lb' ld Q..l-~ Filterkuchenmasse ab.

~ Bevorzugung von Vakuumfiltern

Filtration bei ~ P f const • V f const

· MS

t w

t a

-MS

t z -

Durchsatz an trockenem Feststoff

Ausstoß an trockenem Feststoff

Zykluszeit

Filtrationszeit

Entwässerungszeit der 1. Entwässerung

Waschzeit

Entwässerungszeit der 2. Entwässerung

Abnahmezeit zur Ent­fernung des Kuchens

3.1.1.5 Anwendbarkeit

Gewinnung eines reinen Feststoffes

für relativ hochkonzentrierte Suspensionen mit Cs . >3 bis 5 ,ln

Mass.%; bei weniger konz. Suspensionen: Eindicker notwendig

gute Durchströmbarkeit des Kuchens ,.... d K ? einiget-m.

Durch Zusatz von (porösen) Li~~rhil%~i~t§lQ (z.B. Kiesel­

gure) lassen sich auch sehr feinkörnige Trüben filtrieren

Struktur und Stabilität des Kuchens sehr unterschiedlich:

z.B. kompressibel oder inkompressibel ~ für die Auslegung

eines Oberflächen-Filters muß die Kuchenfiltration i.a. ex­

perimentell bestimmt werden. Filtratdurchfluß nur in Sonder­

fällen berechenbar.

3. A . .2..

3.1.2.1 Grundschema

I I I

OrS" ~dF ~ ,) IM~ =R LfQ..c tAA', Ie L -~cJ.... i&' f­( 0, ~ biS 2 t.t..)

Tyc..~ ... ~ (+;ke( (od.coV'"~i eA- Ol,,,,, :;;'{~~ ~ fk..R.)

T~6tL

Abb. -=r Schema der Tiefenfiltration (Bettfiltration)

Tiefenfiltration: die abzutrennenden Suspensions-Partikel lagern sich im Innern (Tiefe) des Filtermittels (Fasern, Sand­körner) durch Adsorption (van der Waals'sche WW, elektro

Anziehungskräfte) an. Eine Behinderung durch Poren bzw. öffnungen des Filtermittels, das aus relativ dicken Schichten besteht, tritt nicht auf. Von Zeit zu Zeit muß allerdings das Filtermittel gereinigt werden (diskontinH­ierliche Filtration).

3.1.2.2 Filtrationszyklus

Filtrationsperiode

Reinigungsperiode des Filtermittels durch Rückspülen jeweils stark abhängig von Trüben-Zusammensetzung

Beim Rückspülen soll mögl. keine Klassierung des Filtermittels auf-

treten ~ enge Korngrößenverteilung q(dF )

3.1.2.3 Betriebsweisen

als hydrostatische Filter: weit verbreitet bei großen Durch-(Schwerkraftfilter) sätzen, einfach

Druckfilter

Saugfilter

3.1.2.4 Filtratdurchsatz und Partikelgröße der Suspension

Abb. 8

Kurve a:

. -. -... -. -... --

""- -... -... " . C -...

. . . ,-'- "-.)

Abhängigkeit von VF(t) vom su~pensions-Partikel­

durchmesser d K; Kurve c: häufigste Art der Tiefenfiltration

Partikel werden an der sichtbaren Oberfläche des Filtermittels abgetrennt und bilden eine Art Kuchen analog zur Oberflächenfiltration

weiche, deformierbare Partikel (flockig, klebrig, schleimig ) verstopfen Poren und Kapillaren des Filtermittels

häufigste Art der Tiefenfiltration: Partikel drin­gen in die Poren des Filtermittels ein und besetzen dort die Hohlräume ~ Verengung der Kapillaren

und Hohlräume

Partikel dringen ebenfalls in die Poren des Filter­mittels ein, rufen jedoch nur eine sehr dünne Be­legungsschicht hervor ~ kaum Abfall von VF(t) z.B. Abtrennung von Viren aus Flüssigkeit, mögl. große innere Oberfläche: bis 5000 m2~2 äußere

Oberfläche)

3.1.2.5 Vorkommen

Tiefenfiltration (Sandfilter, Kiesfilter) kommt häufig in der

Natur vor: Reinigung von Oberflächen- und Grundwasser durch

natürliche Sand- und Kiesschichten.

3.1.2.6 Anwendbarkeit

Gewinnung eines reinen Filtrats

Partikel müssen so klein sein, daß sie in die Poren und Kapillaren des Filtermittels eindringen können, d.h. dK« dK,Kuchenfiltration) wenn d K sehr klein ist: Zusatz von Flockungsmitteln

niedrige Trübenkonzentration Cs . , wegen ,ln

1. Verstopfung (blocking) des Filtermittels

2. verstärkte Brückenbildung der Trübepartikel bei höheren Konz. Cs . , wodurch Adsorption in tieferen Schichten

,ln unmöglich wird

=; a) c S ' ~ 0.1 kgjm 3 ,ln I\,..,;

b) für größere Konz. Cs . ~0.1 kgjm 3 (Nahrungsmittelindus­,ln

trie, Extrakte pflanzl. und tierischer Produkte)

werden Hilfsschichten auffiltriert (precoatin~).

3.A.3 3.1.3.1 Grundschema

-+----{ r~ 10 e..

$u..s plUA.S i Ow. pa.- r'-fi lu..Q ~ "l­dt.( '/ dp:-

Abb.9 Grundschema der Siebfiltration

Siebfiltration: Abtrennung von Partikeln auf einer dünnen Filter­mittelschicht ~ Ausbildung eines Filterkuchens und ohne Adsorption von Partikeln an der inneren Ober­fläche des Filtermittels ~ es werden nur Partikel mi t d K:> d F abgetrennt.

I.a. kein großer Druckabfall, der nur durch die Sieb­wirkung bestimmt ist. Rein mechanische Stoff trennung.

3.1.3.2 Normalfiltration und Membranfiltration im Vergleich

Trenn- System Durchmesser- Filterschicbt Technische Anwendung verfahren bereich sus- Art Porenweite

pendierter oder gelöster Teilchen

Normal- grobe bis >500 nm ~Iröse !1:;;5OOnm Trennen und Konzen-filtration feinste grobdispers I ter- Siebwirkung trieren der Suspensionen

Suspensionen ~

I Ultra- 1 Kolloidlösun- 5 ... 500 nm Poren- 5 ... 300 nm Trennen und Anreichern

I gen makro- kolloiddispers membran Siebwirkung kolloider Stoffe wie Farb-filtration molekularer stoffe, Proteine, Polypep-

,., ~br()o" - ~p~10 Stoffe tide, Enzyme, Viren u. a.

fi l+t~-tIQr Biokolloide

Hyper. echte Lösun- 0,2 ... 5 nm Poren· I ... 10 nm Abwasseraufbereitung,

~0r'(A.. filtration; gen nieder- molekular- membran Siebwirkung Dialyse; Revers- molekularer dispers und Druck 200 ... 300 kPa, osmose Stoffe molekulare Durchsatzleistung

.öP.-Diffusion 2 ... IOm3 /m2 d

LÖSUegS- homogener Meerwasserentsaizung zu 3O\)1$.A00 mem ran Polymerfilm Trinkwasser, blw" der Dicke Druck 4 ... 10 MPa,

0,2 ... I/Lm Durchsatzleistung auf porösem 0,1 ... I m3 /m2 d, Membran- Salzrückhaltevermögen träger; 95 ... 99%, molekulare Anlagenleistung Diffusion 1000 ... 50000 m3 /d;

Konzentrieren von Fruchtsäften und Kaffee

Tab. 3 Trennverfahren der Siebfiltrationen

Probleme der Mernbranverfahren: 1. Bildung undurchlässiger

Schichten auf den Membranen

3,2..

2. dadurch Rückdiffusion der

Schichtmoleküle

(Polarisationskonzentrationen)

~-1{ U<ILvv; IleL

Ltr=: ~ ke d. l1l-te.r\M~ ~ L s l,t: ~tyOtMlA.lA~r~.rdtw.

cA Q..( ~tASp.u..( ,'0"\.. (I~ 'de )

ct K: l(9(fA cl U. V"cl, ~.{ q

oft..( T ~fot-PNh'/(eL

IJ : (,(~fi{{~~.u.. oltr-h' L-k.cUA~lkf!

~ ~ h'lk! f(ci cJ,~ (G lA Q..(SC~tA; Ikfra (l.e)

V,: ~ ct ~VOll.tlA..t JU.,

\r ~ F\'lVDl+VO/ U~ et. k (': H-ö ~ t. d, "f,-!'l-/(( L< t.\. -~ c.V\ekS

Abb.~O Zur Herleitung der Filtergleichung bei der Kuchenfiltration

Der Filterkuchen wird als Schüttung kugelförmiger Partikel aufge­faßt, der von der Trübesuspension laminar durchströmt wird. Dann gilt für den Druckabfall APs im Filterkuchen :

. )

( Ja)

Stokes I sches Gesetz (Ab)

VoL. e~iS~ ~ d... t(ö~ e...n.,

V ot. cl. Q..J ScJ., L.. +1--\..\ L... 8 (A c)

( Ab) UII\ ~ ( AC) ,~ ( ,{ 0.) ~3e..s.e..tt+ I li.e.fQ.jf :

A~

~Y rii t!.

1+ u.. h.S =: 8 If 'Li. h.s (let)

: fi L+ r-o..+ i () lAS W i cI.t...-r !.+r;u,. ci ct es :[:i L!a.r u.u. c"'-~~ k.S ~es Kt.t cl,. e~ s -(oL'ß1 ..

kS '" Vs v V =: Vrel

(210) \I S

Das Filtermittel soll aus Zl Röhrchen (Kapillaren) mit dem

Durchmesser d R aufgebaut sein, die von der Suspension laminar

durchströmt werden:

_:P_~_Y""_d...:.-~...:....;~~-='J):....:...f'lA...:...:..::..;ck~Ot~bf-4-=Ot:....!..l:...:...{ _=A~F R i t.\A ':A' L+e..r tAA..; lIe L ~iL'" :

6 FR. :::-

WR. ~ blf = J(e

(3b) I V\ (3a.):

( 41 Q 5 ~ - Po i.s e..t.L.t' 1I e. ) (36)

(3c)

ode.r :

[0( VrtL f + f:. ] fF -fl:L r d. j e. =H l-(v C\. -Ti 04 r ß !.~d-r ~ i kot,; 6 k e,; f 01 V; at. ,fotßt ~+ (4-6) cl; e 11 Lkr Sie; ctw~ 5 (::t:J€)L)

dV _ ,6Pges S Su (4c)

- d t - [cX.. ~ re.l V / S, + f.> ] ~ f

hs Filtergleichung

worin: cX. r::- c.o~4-- 3 ~; Lt kOfM.pressi blq h l~l<lA..cJ,. e.L. J:,. r c.o~s f-

Bemerkungen zu Gl,(4c)

1. bei hydrostatischer Filtration ist:

(4e)

~ f : Dichte der Suspension

h f : Höhe der Suspensionssäule über Filtermittel

Vf: Val. ~f..( Su '~,",.si okS~ot""le. 2.~ und ~ können aus Gl.(4c) experimentell bestimmt werden

3. die meisten Filtrationen werden bei~p =const durchgeführt -ges--

-7 Integration der DGL (4c) liefert:

a) Integration über Filtratvolumen V

(1- Vrd.. V + f ) oll! ~

V 2- t !(v+ ßM, S ) dV =: S 6p~S f dt ( b'b)

VyeL cX.. '1f VieL 0

0

ode.r : 2. V2. A S

V .s 4PeeS -t (f;: c:) + =='

~ C><..J VteL oGf,. Vt-et

Gl.(Sc) gibt die Abhängigkeit V(t) (Abschnitt 3.1.1.4) prinzipiell

richtig wieder. Aus ~iagramm lassen sich 0<. und ~ grafisch ~/V-V-' /-ermitteln.

Für das Filtratvolumen V folgt aus Gl.(Sc):

s ~ (A - V-1 ~ol VreL 4Pges t v= - -t-ff I=/~ V reL 0<.,

oder für f3 / c( <"<1 (in der Technik oft erfüllt für längere Filtrationszeiten):

( Se )

b) Integration über Kuchenvolumen VS= S h S :

mit

odQ.f :

Vs V =-­

V rel

und dVS

dV =-­V rel

folgt aus Gl.(Sb)

k i 1

) 5 (~S +- (bk ) 01 I-ts .. -~---I~--u.==-~_\/.....:...::=rec.:::..Lf at o

)

t1 ! KlA.C~~b;l 01 lA. vtaS i: e.,''''

(bb)

(6 ~ VrtL ( (b ) + Z DPffS (bc) h = --+ t~ ~ 0<, ~ 1+ oG

~s: Itö~e der ~ LlefklA.c4 t,k~

orAl4 ft;,r f/oG « A:

I,L lIreL ~tlP~t1 (bd) ks = 7+ oG

L.. .... J ~

Pr od lAl<...f. - EilA.~kll-dQ .. f~ aOl.,-! e4

r- b ~.tL TrofVI ..... ~"~

~r ~~ti~~~t;dte _'RLkl fLfS,'b+ ~ie. Prod. CA.. kf; olA.sr (Ale m1.s O(~S

'(l'd-, L. ;~lNUt ~lA. c4 t-t.1.t' :

n Drehzahl des Filters

Kuchenbildungswinkel

Dichte des trockenen Filterkuchens

4. bei ~p =const. nimmt mit wachsender Kuchenhähe h S die ges Filtrationsgeschwindigkeit dVjdt ab.

(be)

5. 2. praktischer Grenzfall: I

V=const , dann gilt ~p (L ) tconst. ges nS aus Gl.(4c) folgt dann:

_. .."

·T

v 1: (oG Vrel

V ~) f dll ~p~ ~ fdt (=!q) - t- = .s If 0 0

rou .f.t;.r (bIo<. <:< /f (d·4 . f -- 0) UA,+

~p~S 1A.=- a..u.s GiL (lf e) VrtL

V oc 1f ~

fottj-/. CXM..S 6L (=ttA.):

i-

3.2.2 Filtergleichung bei ~o~pr~sib~e~ Filterkuchen

Aus Experimenten ist bekannt, daß der Filtrationswiderstand 0( des

Filterkuchens mit steigendem Druck A p zunimmt, und zwar ges durch Abnahme der Kapillardurchmesser, wenn der Filterkuchen kom-

pressibel (komprimierbar) ist:

Gl.(S) in DGL(4c) eingeführt und über das Filtervolumen V bei

Öp =const. integriert, ergibt für t!.. __ 0: ges (,j Z.

L S .opSU t (Sb)

folgt aus Gl.(Sb):

(Sc)

2.3 Zentrifugen

Filtrationszentrifugen ~rl.0..Ei~~~ Trommel: <D 0 6) @ (Filter- oder Siebzentrifugen)

S~dimentationszentrifugen"

Separatoren ~~volJmante.l-Trommel: Hydrozyklone

Beim Anfahren und Abbremsen: Gefahr von Eigenschwingungen.

® Filtrationszentrifuge

Schälzentrifuge

I c I b

e

Schneckensiebzentrifuge

@SedimentationszentrifUge

f

C Schubzentrifuge

@ J)eko.",fi u~~",f,\~ Se. @ ti .... S~ti-Tel(tc~~M~ge. (Se..rOt rO\:t~f')

c f -d f

® -(F RöhrelJz,ntrifuge ;."'-pLtee .... fvo, t-S (2A..)

Hydrozyklon

Abb. 3 Zentrifugen (.5cl" \ t.\A.cA.e..r",) a) Schälmesser; b) Feststoffaustrag; c) Flüssig-keitsaustrag; d) Feststoffaustrag von Hand. e. )pe"fcri t.r k frotMk. t.,.{ ..f.) Voll \.C.At.. ~L

~) ~\ACo.w",r h,)1"D..",,,L,,nlur (t-liVL..DJ ('I"" tL L..r"\

oder mit verallgemeinerten Exponenten m,n und der Konstanten C2 :

( 8d)

Verallge_. Filtergleichung

m = 2 n 1

n + 1 kompressibler Filterkuchen --- - - ---

Bemerkungen zu GI.(8d)

Die Exponenten n,m sowie die Konstante C2 können aus gemessenen

V( t) -Kurven-bei unterschiedlichenA p -Werten - graf isch er­ges mittelt werden.

3.2.3 Entfeuchtung des Filterkuchens

Für die Restfeuchte im Filterkuchen ist sein Porenvolumen entschei­

dend. Die Entfeuchtung kann erst erreicht werden, wenn die von außen

angelegte Druckdifferenz 6p größer ist als der Kapillardruck des ges Kuchens. Im einzelnen sind folgende Entwässerungsvorgänge zu be-

achten:

Ablaufen der Flüssigkeit unter Einfluß der Schwerkraft

Entfernung der Haftflüssigkeit, bedingt durch Adsorption und Ad­häsion an Kuchen-Partikeln

Entfernung der Zwickelflüssigkeit an den Berührungspunkten der Partikel

Entfernung der Kapillarflüssigkeit in den Poren und Kapillaren des Kuchens

Dies kann erreicht werden durch:

Verdrängung, d.h. Durchsaugen oder Durchblasen von Luft, Gasen

oder Dampf

Auspressen des Filterkuchens, der kompressibel sein muß

3.2.4 Trenngrade(Trennwirkungsgrade)

t:tt.SA "'-/ tr tlA.lA. tVi ~Ic. tA. k ~ S ,raol { = abgetrennte Menge _

m

ges zugeführte Menge ges,ex m .

ges,ln ( 9a)

~---

'lJ~, wt.~ c(ec Lh

T~ _ m

S , ex m . (9b) und ( 9c ) S,ln

Es gilt nach der Stoffbilanz

3.3 Theorie der Osmose und Revers-Osmose

~ @ Lösung(~ .1>. he.e.rw Q..c;.SA.r J

/""0.. ~~) Druck

Lösungsmittel( t..l>. tQ.O) Lösungsmittel (1.- h) nr:p,. In A P..e.K

...L---t_~_ I n -~~.:-..

~~~L...-"""=i"""_--:......J___ _ _ ~~~ ~ -_-+=".;;;,--~-;.;;,-=-~-= ... - - - - '\ »t 0

~~~~g ~_i~l- Me.lM.ro('(:~'-\ I=-=~~==-=I --- ....

t.l>. t.\A~"" -- . cf u reD. -(ö:tS-,s

eefc3sj.~ S-toff~ ft,( ~ b~ aU ( ce. t) t. "" b .,-0", ~ l-~ n:: cl<

fLev 4.s - Os tA..\. Ose I

Ir .iX 5 " =- o~ tAA 0+ , 1JY\AcU

r= L.-JfJ...cosl~.f, D~) -P-;-Lt-"=:t-r---II ...... 1 (J)V\.\cL<ß(~cJ., ~e,wi~t)

11 -::.. QA C~ (( T

es : ~ t d..t.s re..( ~ s~ rrof(t--~

I Pi" '/ 11 , a. t1t..o i r.....) 4

tA.- tl 0 -: a M ( A P - 4 tl "

lllA d t: 10 o.Jl Clt S LA- " Qt

tA--. ~ - d,., :D,( A C~ A- h

Massendurchsatz des LM (Wasser)

Durchlässigk.koeff. d. Membrane für gelösten Stoff5 und für LM

~ cS·=Cs . -Cs : Konzentrationsdifferenz ,ln ,ex

6'1r =~. -Ir 1n ex

D.::;

äußere Oberfläche und Dicke der Membran

angelegte Druckdifferenz

osmotische Druckdifferenz, ent­gegengesetzt zu.6 p

Diffusionskoeff. des gelösten Stoffes

z. B. für Revers-Osmose:

Cellulose acetat-Membrane:

hält NaCI-Molekül zu 98 % zurück, läßt die (viel größeren) Phenol-Moleküle vollständig durch.

4.1 Theorie der Zentrifugen

I , '... , ,

I '--,

Abb. /f,., Prinzip

~ _____ +l~sri~€.-t· 4-v+---T r-O IM.t.\.o.e..( W~

~-H:H-IIf-*--- e.i v..~ W~ t-~---!:M:1A---'k.Q..

.J)- bj Nhlt---- :tJ

I I I

I -' :Di I I I I J) .. ,

I

einer Zentrifuge ( Rotor)

Die Umfangsgeschw. Ut p einer Partikel P, die sich im Strömungs­

feld einer zentrifuge'mit konstanter Drehzahl ( n+ f(r) =constJbe-

findet, ist:

U = (..J r = 211n r = ltn d t,P - (10a)

~: Winkelgeschwindigkeit

r,d : Radius, Durchmesser der kreis­förmigen Partikelbahn

da n=const+!(r) (lOb)

Beziehung (lOb) entspricht dem Fall P =-1 1 in

u = u t,f t,P (vergI. TC 11/4, Gl.(14))

Für die Zentrifugalbeschleunigung a gilt:

a =

d.h.

2 ~,P

r rw2

( IOd)

(10c)

Für das Beschleunigungsverhältnis (Schleuderziffer, Trennfaktor)

Zz ist:

d.h. 2

Z rv n d Z

bzw.

Bemerkungen zu Gl.(llb)

(lla)

(llb)

für

1. Für einen hohen Trennfaktor Zz ist die Erhöhung der Zentrifugen­

Drehzahl n viel wirksamer (rv n 2 ) als Erhöhung des Trommel­

durchmessers (N D)

2. Z~läßt sich aus Abb. ~ in Abhängigkeit vom Rotordurchmesser D und der Drehzahl n für verschiedene Zentrifugen ablesen.

Zz= 300 bis 50000.

4.2 Zentrifugalfiltration

Im Zentrifugalfeld wird die Filtration in radialer Richtung der

Zentrifuge erheblich beschleunigt, d.h. anstelle der Schwerkraft FG

in ~1.(4e) wirkt die zentrifugalkraft FFlVa in radialer Richtung:

( a = rU)2 (12a)

worin D+D.

1 -2- mittl. Durchmesser des freien Ringraumes der

Zentrifuge

Der Abstand Ringwehr-Trommelwand ist:

D - D. 1

2 (12b)

Für den Druckabfall~p , der in Zentrifugen als Bodendruck ges D-D.

wirkt, erhält man aus GI.(4e), wenn dort h 1 und a =_ a f - -2- ()

nach GI.(12a) gesetzt wird:

I: 6 P ges =.f f (0- 0 i) (0+ 0 i ) u' n' \ ( 12c)

Für die Zentrifugalfiltration gelten im Prinzip ebenfalls die

Filtergleichungen (4c) und (8d), wobei dort für6 p die Beziehung ges

(12c) eingesetzt wird.

4.3 Zentrifugalsedimentation

4.3.1 Absetzgeschwindigkeit

Im Zentrifugalfeld wird auch die Sedimentation erheblich beschleu­

nigt. Für die Sink- bzw.Absetzgeschwindigkeitenurel= ua,Z gelten

die gleichen Formeln wie beim Klassieren ( Tab.1 , TC 11/3), wenn

dort anstelle von g, a nach GI.(12a) gesetzt wird:

oder

g=;>

a g

- -a=411 2 n 2 d (13a)

I (13b)

Zur Berechnung von u bei der Zentrifugalsedimentation wird die a,Z laminare Stokes'sche Sinkgeschwindigkeit verwendet:

u a,Z

u a,Z

d 2 K

Klärgeschwindigkeit

I (13c)

4.3.2 überlaufzentrifugen

4.3.2.1 Klärflächenbelastung

Der radialen Zentrifugalsedimentation überlagert sich eine hori­

zontale, kontinuierliche Durchströmung des Rotors:

Abb.1~ Wirksame zylindrische Klärfläche A bei der Zentrifugal­sedimentation

Die Mantelfläche A ist:

( 14a)

Für die Klärflächenbelastung qü gilt:

. V

( 14b)

4.3.2.2 Trennkorngröße

Die erzielbare Trennkorngröße d T in der überlaufzentrifuge ergibt

sich aus:

urel,z -

oder mit Gl.(13c):

~

d T = A&')1ö. =

CS's -J'f) i=~ ~

u a,Z (ISa)

.,1&'JI\/ _ (gS.-.ff)t;~L 2.J

Aci

(ISb)

4.3.2.3 Äquivalente Klärfläche

. Aus GIn. (14b), (ISa), (13c) fOlgt für den Volumendurchsatz V:

. V u a

_ A .. u a a

mit der äquivalenten Klärfläche Aä :

. r..--V = II d I Zs u a "-J n 2

L-,---J

. .

(16a)

(16b)

(16c)

in GI.(16c) kann . <. .

V einen Maximalwert V nicht überschreiten, max ,;;.;.;;;...;;.;;..;;...;;. d.h. V = Vmax ' wobei V max bedingt ist durch die Schluckfähigkeit

der Förder- und Abzugsorgane der (überlauf-) Zentrifuge.

Folgerungen aus GIn. (ISb) und (16c):

1. Vergrößerung von Aä erhöht V der Zentrifuge

2. Vergrößerung von Aä erniedrigt dT~ d.h. Trennerfolg wird besser

3. Vergrößerung von Aä e AZ S nur so weit, daß V ~ Vmax ist.

4.3.2.4 Klärzeit

Die mittlere Klärzeit t ist: ------- - - - a-

t a radialer Absetzweg Klärgeschwindigkeit

(D-D. )/2 1

u a,Z (17a)

Es gilt näherungsweise:

t = t a V

technische Forderung:

t v erforderliche Verweilzeit der Suspension oder Arbeitszeit der Zentrifuge bei voller Drehzahl.

möglichst kurze Klärzeit ( V v - t

a durch:

kurzer Absetzweg 0-0.

1 -2- ~ Tellerzentrifugen)

Flockungsmittelzusatz (u i""o.J d 2 a , Z K

Heißschleudern I d. h. '1a absenken (u I'v 1. ) If a , Z '1.,.

TC 11/6

Zerteilen, Zerstäuben, Mischen und Formen (Stoffvereinigung I)

1

2

2 . 1

2.1.1

2.2

2.2. 1

2.2.2

2.2.3

2.2.4

3

3. 1

3.1.1

3.1.2

Einleitung

Zerteilen und Zerstäuben von Flüssigkeiten

Apparate

Verteiler und Zerstäuber

Theorie der Zerteiler und Zerstäuber

Theoretische Mindestarbeit und Tröpfchenoberfläche

elektrostatische Aufladung

Zerfallsformen eines Strahles

Durchflußcharakteristik

Mischen

~~~~~~~_~~~_~~~~~~9~~~~~~ (einschließlich ~~~~~~~~~

und 2~~~~~~~_~~~~~~)

Mischgeräte

Theorie des Rührens (Homogenisieren)

3.1.2.1 Rührleistung (Leistungsbedarf) und Ähnlichkeitsgesetze

3.1.2.2 Mischzeit (Rührzeit, Homogenisierungszeit)

3.1.2.3 Rührarbeit (Arbeitsaufwand)

3.1.2.4 Trombenbildung

3.1.2.5 Modellübertragungskriterien nach Büche

3.1.2.6 Beschreibung durch DGL

4 Formen

4.1 Pressen

4.1.1

4.1.2

4.2

4.2. 1

4.2.2

Anwendung

Apparate

~99~~~~~~~~~~ (Granulieren, Pelletieren)

Anwendung

Apparate

4.3 Sintern

4.3.1

4 . 3 . 2

4.4

Anwendung

Apparate

1 Einleitung

Grundverfahren "Vereinigung von Stoffen": Stabile, mögl. voll­

st~ndige Mischung unter der Einwirkung mechanischer Werkzeuge

und/oder Kraftfelder. Hierbei können als Endprodukte oder

Reaktionspartner entstehen:

- Gemische

- Lösungen

- Emulsionen

- Suspensionen

- Pasten

- Gemenge

- Aerosole

oder es werden physikalisch-chemische Vorg~nge eingeleitet

bzw. unterstützt. Dabei kann die Vermischung (z. B. durch ~9Q~~~)

laminar, turbulent, konvektiv (frei oder erzwungen) oder

diffusionsbedingt ablaufen.

2 Zerteilen und Zerst~uben von Flüssigkeiten

Verteilung (Vermischung, Vereinigung) flüssiger Phasen - z. B.

reine Flüssigkeiten, Lösungen, Suspensionen - in einer gas­

förmigen Phase.

Flüssige Phase:

- mögl. große Oberfl~che

- Flüssigkeitsfilm senkrecht zur Austauschfl~che mögl. dünn

Anwendungen:

- Absorber (Führung der Waschflüssigkeit)

- Reaktionen zwischen FI. und Gasen

- Rektifikation, Extraktion, Blasensäulen

- Kühltürme

- Spritzen, Schädlingsbekämpfungsmittel-oder Düngemittelver-

teilung in der Landwirtschaft

- künstl. Bewässerung

- Zerstäuben von Brennstoffen (ölbrenner, Gasbrenner, Diesel-

und Otto-Motoren)

- Luftbefeuchtung in Chemie-Anlagen

- Sprühtrocknung (zerstäubungstrocknung): Flüssigkeit wird

in Wasser und trockener Luft verteilt; z. B. Trockenmilch,

Waschmittelpulver, Farbstoffe, Kaffee, Gewürze, Früchte,

Fungizide, Herbizide

- Anstrichmittel (Spritzpistolen): z. B. Autokarosserien

2.1 Apparate

2.1.1 Verteiler und Zerstäuber

I~~~~~~--;~~I e 16 ,/V~~

l b

~ ---~ --

Loch- und Stutzenboden

Spinne

/~~~=:=:: / " ..... -,

,~ o

/

Überlaufrohrboden

Brause

~ W.,jD':·"~' ~ .,.\i:;I'

f Rinnenverteilung

Spritzteller Spritztellerkaskade

t ; //11" , , , ,

///\,' / I \"

c c

AuosoL - lQ.(.sfO;.'-'.btA 'iJ Pralizerstäuber Zerstäuberdüse mit Preßgas

a\al.e.;~ct~S'e)

\~T '~',:

Cf

Zentrifugalzerstäuber SEGNER-Wasserrad

ik i;.""l~r"",,~

Abb. '1 Vev-k?;ler ~"'Q i-uclci.""'bt1 .f~ l="l~ ~~;6l.le.: ~ 0.) Pn~e()S b) ~LU::si~ke.; 4 c) We.be-I Of) ~Ot" e) "Q.(+ e.; /.Q..( f" illl ",e, +) ~.f ~ ~ """ Q..( n I/l. '" e.. b.,) 'Oz..- Ab~Q.S.e.. vo~ H\..:l/vu~e.IAIAu..LA~sou....l~~ec-, cl ... ) ~L"""",i l~ I NO. ofl-

®

Prinzip einer Druckgasdose

A Druckknopf; B Strahl; C Ventil; D Feder des Ventils; E Steigrohr; F Dampf des Treibmittels; G Behälter; H Flüssiggas mit zu versprühender Komponente

GD Gelangt das flüssige Treibmittel (z. B.Frigen ) über das Ventil

ins Freie, dann siedet es sofort auf und zerteilt dabei die

zu versprühende flüssige Komponente in kleine Tröpfchen

(Aerosole). Die Tropfengröße wird durch das Verhältnis zu

zerstäubenden Flüssigkeit/Treibmittel bestimmt (z. B. Haar­

spray- und Lackdosen).

Der Flüss igkei tsdruck in Druckdüsen (Abb. ~ ) beträgt ~ 3 bis

4 bar. Durch schneckenförmige(spiralförmige) Einsätze erhält

die Flüssigkeit einen Drall (Drehimpuls), wodurch sie in

Tröpfchen zerrissen wird (Anwendung z. B. bei Sprühtrocknern) .

A B

• 0 E F

-* "/

® /

"

~ m I ~ '" .... /

m m ' ~ / /

~ 1\ /

/ /

I

---1 a 1300 163-613 45 108 121 119

bTö:Sö -- - - - -0,48 0,53 0,47 0,54 0,66

Abb . .? .... b~~-f::1p~ (~dt.d.~.s~ ) ot 1L1 -10- ~ ... ~/( So bolrb )

2.2 Theorie der Zerteiler und Zerstäuber

2.2.1 Theoretische Mindestarbeit und Tröpfchenoberfläche

Durch die Tröpfchenbildung wird eine Oberfläche geschaffen,

die folgende Mindestarbeit Ath erfordert:

()[~ = ~4 ]

STrLm 2J: A [J J

I

Oberflächenspannung der Flüssigkeit

Summe der Tropfenoberfläche

tatsächliche Arbeit

Wirkungsgrad

[ m2] Tropfenoberfläche

SSP m3 = Vol. versprühter Flüssigk. spezifische Grenzoberfl.

d Tr [r m ]

SSp [ ~~ 1

A» Ath infolge von Be­

schleunigung von Flüssig­

und Gasphase, Reibungsarbeit

an der Düse:

1000 80 55 30

6000 75000 109000 200000

10

600000

Tab.1 Spezif. Gesamt-Oberfläche der Tropfen in Abhängig­keit vom Tropfendurchmesser d Tr

sehr groß, d.h. schneller Stoff- und Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeit und Gasphase

Anwendung

rasches Verdampfen und Verdunsten bei Trocken- und Kühlvorgängen

rasche Adsorption von Staubteilchen in Naßabscheidern

rasche Gasabsorption in Sprühtürmen

2.2.2 Elektrostatische Aufladung

Durch Reibung der Flüssigkeit an Sprühdüse und Gas: 50 bis 200 Volt

(bei Wasser)

2.2.3 Zerfallsformen eines Strahles

Re u d -

~f/ff

u 2 g f We - (1

d

d: Durchmesser der Düsenöffnung

u: Ausströmgeschw. der Flüssigkeit f

Trägheitskraft 1m 2

Grenzflächenkraft1m 2 Weber-Zahl

Re We 2

<3 . 10 8 u klein, IRayleighsches zertropfenl des Strahls in-folge rotationssymm. Oberflächenschwingungen in große Tropfen (z. B. Verteilerrohre, Brausen)

3'10 8 bis 10 12 tzerwe lIen I des Strahls infolge transversaler

>

Bernoulli

Schwingungen des Strahles

10 12 lzerstäuben} infolge Zerplatzen des Strahls unmittel-

bar nach Austritt aus Düse, relativ kleine Tropfen-

größe (z . B. in Druckdüsen)

2.2.4 Durchflußcharakteristik

. V f(p,d, q(dTr ) ) : nicht allg. berechenbar

für Wasser: ausreichend genaue Kenntnisse. Extrapolation auf andere Flüssigkeit sehr unsicher.

q(dTr ): Tropfengrößenverteilung, i.a. nicht berechenbar

empirisch für Druckdüsen :

• In V = a d p

h

, P1

2

h 1 u 1

+ - + yg 2g

(A)

S

=

u

g

h

S

d

[Aus f l1!..B 1 Flüssigkeitsdurchsatz V Ausflußgeschwindigkeit

Fallbeschleunigung

Standhöhe der Flüssigkeit über der Öffnung

Öffnungsquerschnitt

Durchmesser der Austritt­öffnung

p überdruck vor der Düse

a, b Konstanten

somit gilt:

&E~, ) Ausflußgeschwindigkei t 1 aus der öffnung (i""" JdtOt (1Ot /I :

(30\.)

Infolge von Strahlkontraktion, Verlusten durch Drall und

Reibung wird:

( 3b)

(Lochbodenl

. Für den Durchfluß V durch einen Lochboden folgt aus (3b):

o(~ 1 Ausflußziffer (Durchflußbeiwert)

z Anzahl der öffnungen

( 4 )

~innenverteilungl

Abb. 3

Gl. ( 3b) in

. V

d S = d ( b,h) = b.,cth .

d V = udS = ub.ph ( Sa)

b~ Breite einer Kerbe

Zur Berechnung des Ausflusses aus einer Kerbe (Rinnen­

verteilung)

(Sa) ergibt:

~O(bh V 2gh (Sb)

ol..~O.6

3 Mischen

- Mischen von Feststoffen (Schüttgütern) (auf Halde, im Silo, in MischtromrneIn)

Mischen von Flüssigkeiten, Teigen und Schmelzen (Rühren, Kneten)

Mischen von Gasen in Rohrleitungen (i.a. geringer Aufwand)

3.1 Mischen von Flüssigkeiten (einschI. hochzäher u. pastöser Massen)

5 Rühraufgaben lassen sich definieren:

Homogenisieren: Konz.- und Temp.ausgleich durch Stoff- und Wärmetransport vorgänge

Intensivierung des Wärmeübergangs: zwischen Flüssigkeit (insbes.

bei zähen Flüssigk. mit stark exotherm. Reaktion, z.B. Block­polyrn.) und Wärmeaustauschflächeo( Behäl terwa~7f$~ac!~lcßr'~8ft~~ soll Dicke der flüssigen Grenzschicht an Behälterwand verkleinert und Flüssigkeitstransport von und zur Wärmeaustauschfläche er­höht werden.

Suspendieren ("Naßmahlen") oder Aufwirbeln ("Lösen"): eines

Feststoffs in einer Flüssigkeit. Es kann zu einem Abrieb der Feststoffpartikel kommen (~TC 11/7)

Dispergieren (bzw. Emulgieren): zweier inein.~der unlöslicher 'p~QS~1l2 t"II!(l~~.k L-'>.;rr/ '),l,;;LJ «<

Flüssigkeiten; durch Rühren wird Stoffaustausch~verst~rkt, wobei durch Zusatz oberflächenaktiver Substanzen stabile Emul-sionen entstehen können ,t..~. rxt'( .. h;~.o.r)4i.''l\ o.c4.J [;s~t.,ycofrof.y!v.), Jeylro~(l-.en'bJ,'oV1o:n

Dispergieren von Gasen in Flüssigkeiten: Begasen und Zerstäuben

Häufig: mehrere Rühraufgaben müssen gleichzeitig erfüllt werden

Strömungsvorgänge

Rotierende Rührorgane, zusammen mit Strombrechern (Leitflächen,

Rohre) erzeugen, abhängig von Drehzahl und Bauart folgende

Strömungsarten:

Umlaufströmung: Verschiebung der gesamten Flüssigkeitsmenge

turbulente Strömung durch Wirbelbildung: lokale Mischung

tangentiale Strömung am Rührerumfang : Blatt-, Anker- und (tangential fördernd) Gitterrührer

radiale Strömung am Rührerumfang (radial fördernd)

Turbine, Scheibe, Impeller

axiale Strömung am Rührerumfang (axial fördernd)

Propeller, Schnecke

axial fördernd radial fördernd Abb. 4. Flüssigkeitsströmung im bewehrten Behälter bei einem axialfördernden Propellerrührer und einem radial-fördernden Schaufelrührer --

3.1.1 Mischgeräte

, Langsam laufende RÜhrer\

-2d

- " t---- I d=2r· -r-- I~

II-~ 1 ,-I,02d-

I~ -d~ r- ,...

1- ~d

, .:: ~

11 dS= hdx

I--

6) Blattrührer:>< Ankerrührer )c

I Schnell laufende Rührer I

t-----3,3d

Propellerrührer ('n('~L)

® Turbinenrührer (rQ..diG\L)

r- t-t-"'+--i r--+---f-.I

r ~~

~r~"""'-G-itt-e-rr-Üh-re-r ->c-l.J

Pneumatische Umwälzung

© Begaser

Einbaurührer

Kneter

® Hohlrührer

Mischdüse

AMK-Auspreßkneter (PETER KÜPPER, Aachen) a Trog; bAustragzylinder; c Düsenflansch . d Sigma-Schaufeln; e Misch- und Austragschnecke '

Abb s

~ (i)Mammutpumpe

Zwangsströmung

Statischer Mischer

I I

~ @ Mischschnecke

1, 2 und Kreuzbalkenrührer: zum Homogenisieren von mittelviskoser Flüssigk., bei höherer Drehzahl radiale Strömung

nieder- und überlagert sich

3 Zur Intensivierung des Wärmeaustausches bei hochzähen Flüssigk. verhindert Ansetzen von Feststoffen

4 Zum Homogenisieren u. zum Aufwirbeln von Feststoffen bei rel. niederviskosen Flüssigk.; auch in großen Lagertanks eingebaut; billiger und einfacher Aufbau

5 Schaufel- oder Kreiselrührer, zum Emulgieren u. Dispergieren; läuft mit 6 bis 12 Schaufeln, ähnlich einer Kreiselpumpe ohne Gehäuse

6 hohl ausgebildete Rührkörper, deren Hohlräume über eine Hohlwelle mit Gasraum über Flüssigk. verbunden ist. Der sich beim Rotieren ausbildende Sog bewirkt Gasförderung. Zur Intensivierung des Stoffaustauschs im System gasförmig/flüssig geeignet; Schnell­läufer; Belüften, Umwälzen von Reaktionsgasen, Begasen und Um­pumpen (flüssig/flüssig/gasförmig ),Begasen und Aufwirbeln (flüssig/gasf./fest)

7 Flüssigkeit zirkuliert besser, wenn zusätzlich ein Rohr einge­

baut ist

8 Lechler Mischdüse, zum kontinuierl. Mischen von Flüssigk.

9 besondere Propellerrührer geeignet

10 für hochviskose Flüssigkeiten; ohne bewegl. Teile: Transport

durch Druckdifferenz Einbauten: verdrillte Bleche, Kugel- und Metallgewebe-Packungen

11 für hochviskose Massen; Mischung erfolgt nicht durch turbo Strömung, sondern durch wiederholtes Aufteilen, Umlagern,

Stauchen, Abscheren.

12 gehört zu den kontinuierl. Zweiwellenmischer (gegenläufig), auch gleichläufige Doppelschnecken, viele kontinuierl. Einwellenmischer (Extruder): viele Bauarten

l h

3.1.2 Theorie des Rührens (Homogenisieren)

3.1.2.1 Rührleistung (Leistungsbedarf) und Ähnlichkeitsgesetze

Die Rührleistung P für Newton'sche Flüssigk., wird am Beispiel eines

Blattrührers hergeleitet: D Durchmesser des Rührbehälters h Rührerhöhe x Abstand von Rührerachse u t Rührgeschwindigkeit (Umfangsgeschw.)

n Rührerdrehfrequenz d Rührerbreite ~ Dichte der Flüssigkeit

J~ V kinematische Viskosität der FI. a Konstante w Widerstandszahl S Rührblattfläche

P=WM Rührleistung (Wellenleistung) ohne Träg­heits- und Reibungsverluste (Betriebs­rührleistung)

M=xF Drehmoment am Rührer w

Abb.6 Zur Herleitung der Rührleistung P eines Blattrührers

Die differentielle Rührleistung dP ergibt sich aus der differenti­

ellen Widerstandskraft dFw die der Rührer (mit n,u~ von der

Flüssigkeit erfährt:

mit

u =(.0x t I'Y

2 Il nx

(6a)

(6b)

und mit (r=l für Einzelkörper):

dF w

Aus GIn. (6a) bis (6c) folgt mit dS=hdx :

x=: 0(2., W ( Re' ) g n' h J x' dx

X::o

(6c)

(6d)

oder mit h=ad

p = 'lr3 W ( Re ') a 1/16.fn 3 d 5 _ w' ( Re I ).f n 3 d 5 ( 6e )

Durch Einführung der Newton'schen Zahl Ne (Ähnlichkeitstheorie (Widerstandszahl beim Rühren)

folgt aus Gl.(6e)

== Ne w' ( Re ' ) f ( Re ' ) ( 7 a)

Ne f ( Re' ) Leistungscharakteristik eines Rührers (7b)

worin Re' die Rotations-Reynoldszahl (am Rührkreisumfang d) ist.

Re _ Re

Ta ( 7c)

Ubergongsberelch turbulenter Bereich ~---~-----~-- ~- ----~-~~=------

t 10'

U

1S 10 I

tta C

Q.. Q/l tI lau

" :z

10 "+-----+------,-----t-----+----.,.------i 100 10'

Abb.iL Leistungscharakteristiken verschiedener Rührorgane (mit jeweils 4 Stromstörern)

Für die Leistungscharakteristik Gl.(7b) existieren 3 Strömungs­

bereiche:

laminarer Bereich:

Re' c::. 10 ,..., :;, 1 ( 8a)

oder mit Gln.(7a) und (7c):

(8b)

übergangsbereich: , turbo Strömungsbereich mit starkem Zähigkeits­und Dichteeinfluß:

1 0 ~ Re ,~ S . 10 4 Ne rv Re' -1/3 : aus Leistungscharakteristik

IV IV

oder nach Gl.(7a)

(8c)

.-'IJ> Viel (( e hl «'lN ~ /\ turbulenter Bereich:

! \\ ~ I CliL ... geringer Zähigkeitseinfluß; ~ ~~. ~

Re' 1!, 10 2 (mitStrombrecher ) 4 Re' ~ S·10 (ohne Strombrecher)

Ne + f (Re') == c 2 (8d)

oder mit Gl.(7a):

! p" c2~ n 3 d 5 (8e)

Die Konstanten cl' c 2 sind für geom. ähnliche Rühranordnungen

charakt. Konstante (Tab. ~ ). Sie müssen experimentell bestimmt

werden und hängen ab von: Geom. des Rührgefäßes, Rührerform und

-größe, Flüssigkeitshöhe im Gefäß

Rührertyp • Strömung

laminar turbulent

Re' < 10 Re'

cl C2

110 0,5 > 105

110 9,8 > 50

Tab.~ Rührerkonstanten nach Versuchen von Zlokarnik

Blattrührer 0

Blattrührer m Ankerrührer 0 420 0,35 > 105

Gi tterrührer 0 110 0,5 > 105

Gitterrührer m 110 5,5 > 102

Propellerrührer m 40 0,35 > 5 . 103

Turbinenrührer m 70 5,0 > 102

• 0 ohne Strom brecher, m mit Strom brecher

Nach Kassatkin gilt für die Anlaufleistung p > P "b' d A ' zur U erWln ung von Trägheits- und Reibungskräften:

P /P a 1 + 0.134 Ri 0.22

3.1.2.2 Mischzeit (Rührzeit, Homogenisierungszeit)

Mischzeit e [dirn e = s]

die Zeitdauer, in der der Rührer den gewünschten Homogenitätsgrad erzielt.

d,h.~~, Fall 1: Homogenisieren ~ Dichte- und zähigkeitsuntersc~

AV~O, ~ dann gilt für einen gegebenen Rührer und gegebene Einbauten:

e = f (n, d,v) (9a)

oder mit Ähnlichkeitslehre

f ( Re ' ) I Mischzeit-Charakteristik

( -.. Abb. 9Q,b) (9b)

n e Durchmischungskennzahl

für Re' > 5· 10 3 wurde exp. gefunden:

f (Re' ) c 3 ~ aus Gl. ( 9b ) :

IL. es P..a"1"\ ~"'<~ "'\"" /4i . (Mrji' ~.~ ('1 lJ-u. ~ I n e '1. t- .. ...,V'"'. fy.,~t'> I

C 3 (9c)

Im turbo Gebiet haben nach GI.(9c) ähnliche Rührwerke bei gleicher

Drehzahl n gleiche Homogenisierungszeiten e.

Fall 2: Homogenü~Jieren von Flüssigkeiten ~ Ag+ 0, AV+ 0:

ne = f(Re' , Ar) Ar

3.1.2.3 Rührarbeit (Arbeitsaufwand)

_ gAg d 3 : Archimedes-Kennzahl

,gV2

Schwerkraft - Zähigkeitskraft

/' AlAl +'<' r.C!bc ~it4 (1 ~r -""./ -,,--'.'--~~---

2.q~;e~(!l\h ~ (Alt

Der Arbeitsaufwand Ades Rührers berechnet sich nach:

A = P e (10a)

t

10

1

im turbo Strömungsbereich folgt mit GIn. (9c) und (8e) aus Gl.(lOa):

I A ~ c2 c3 gn2 d 5 I (lOb)

"bei halber Rührzeit ( 8/21V1/~n~ ist vierfacher Arbeitsauf­

wand (A,v4n 2 ) erforderlich. '1"1

J bzw. W

t 102

Q..

~ 1 .c ~

10-2

Re'-

Abb.,9 Q... NEWTON-Zahl und n(J in Abhängigkeit von der REYNOLDS-Zahl bei Blattrührern. - -- ohne Strombrecher; - - - mit Strombre­

cher.

102

10

104

s

102

t Ci)

1

10-2

10'

t t =

1" Q).

z 0

i -j 101

(~'t"'/~{ r '

Abb. -g Arbeit A, Leistung P und Homogenisierungszeit e eines Blattrührers. - --- ohne Strom brecher ; - - - mit Strom brecher .

R. ~ Li. ~ l.e..t ~ t.l t..-\ "oS 0 F f-; IA.A. l.t "'"

-f.\:.. r-- V\ ~ ""-1

Schelbenruhrer d ftHJ3

----- ------

/,""Ob""m",,, Wendelruhrer d/b 0.33 Z-ganglg r Propellerruhrer d/u~O,g 5 Id ~ 1 ___ d/,yO,33_

I

~8b Mischzeitcharakteristiken von Rührern

3.1.2.4 Trombenbildung

.---~oto..~ o""~~r~­boloiol

Abb . .;10 Trombenbildung in einer gerührten Flüssigkeit mit Behälter

Infolge der Zentrifugalkraft FF kommt es dadurch zur Ausbildung

einer Trombe, daß am Behälterrand die Flüssigkeit um die Höhe h

(Tiefe der Trombe) nach oben steigt. Oie Tiefe h der Trombe be­

rechnet sich aus:

m g h 1 2 0/2 "2 m u t 0/2 (lla)

2 0 u t 0

FF 4 m 0/ 2 4

0 FF 4 FG

h ( 11b)

Tromben:

erzeugen zusätzliche Horizontalkräfte auf die Rührerwelle

führen dem Rührgut weniger Energie zu

- dispergieren Gas (von außen) in die Flüssigkeit (Trombenbegasung)

verhindert teilweise Schaumbildung

h< h "t crl : keine Trombenbildung

worin h "t = 0.33 D = crl 1

(llc)

c 4 : Konstante, abhängig vom Rührertyp

ncrit : kritische Rührerdrehzahl

hcrit : kritische Trombentiefe

3.1.2.5 MOdellübertragungskriterien nach Büche

Il -

oder

il -

10 ~ ,....,

( 0 )

(m)

Tab. 3

IH VM, 1M: Flüssigkeitsvolumen, Länge (geom.

1M Abmessung) vom Modell

VH, IH: Flüssigkeitsvolumen, Länge von der Hauptausführung

VH IL linearer Vergrößerungsmaßstab

(übertragungsmaßstab) VM

Re' ~ ,.., 10 laminarer Bereich n H = nM

Re' < 5'10 4 turbulent mit starkem n H = nM ( 1/Ä..) 6/ 11

Zähigkeitseinfluß (übergangsbereich)

Re' ~ 5'10 4 turbulenter Bereich n H = nM( 1 jA) 2 j 3

10 2 mit geringem Zähig-Re' ~ keitseinfluß

0: ohne Strombrecher; m: mit Strombrecher

Büche-übertragunqskriterium der konstanten, volumenbe­zogenen RÜhrleistung PjV=const. zur Ermittlung der Rührerdrehzahl n H der Hauptausführung aus der Rührerdreh­zahl n M des Modells

Begründung des Büche-Theorems :

Es gelten die in Abschnitt 3.1.2.1 hergeleiteten Ähnlichkeitsbe-3 ziehungen GIn. (8b), (8c) und (8e). Wegen Vrvd folgt aus GI.(8b)

für die spezifische Rührleistung:

laminarer Bereich: P / V = (12a)

~bei Änderung von /l von Modell- zur Hauptausführung

bleibt für P/V=const. auch(n=const.)

Aus GI.(8c) folgt:

üb~gang~b.2:..r.2:..i..S?.h: P/V = '11 / 3 fn 8 / 3 d 4 / 3 (12b)

~ bei Änderung von it bleibt für P /V=const. auch

n 8 / 3 d 4 / 3 =const. oder (n d ü . 5 =const.)

Aus GI.(8e) folgt:

turbulenter Bereich:

:::!IJ> bei Änderung von /L.. bleibt /für P/V=const. auch

n 3 d 2 =const. oder tnd 2 / 3 =const.\ ~z.B. bei 3-facher

Vergrößerung (~=3) ist die Drehzahl n H in der Hauptaus­

führung halb so groß wie in der Modellausführung n M,

d.h. nH~ü.5 n M·

-"wegen A.» 1 is t i. a.

n M i.a. die wirtschaftlich optimale Drehzahl aus Modell­

Experimenten.

3.1.2.6 Beschreibung durch DGL

Der instationäre Mischvorgang kann beschrieben werden durch fol­

gende Stoffbilanz (vergI. TC I/1J/4~)

?C ?LC ::11 ~ ~X -r(H-t-l» ()X~

1 ___ L. ..I

~ " ...

K.o~vt.kf-;O"\o\ J);ffll.Sb~ molekularer Diff. koeff.

(13a)

M : Mischungskoeff. durch Turbulenz

Wenn die Randbedingungen zu Gl.(13a) keine geschlossene Lösung zu­

lassen, dann können aus DGL(13a) dimensionslose Kennzahlen gebil­

det werden, aus denen experiment. Korrelationenermittelt werden.

Für M~ 0 folgt durch Dimensionslosmachen der DGL (13a):

--

:( ~li~) ~ }

;"0 ~o t*: notwendige Zeit für den

Ausgleich durch Mischung

~ Fo M t* Fourier-Zahl -1.. 2

und u t* ui Fo Bo Fo T M -

'-y--I Bo

/. tit'-

(A3b)

~ t * IV R..2

(13c)

Bo _ u.Q, M

u M/f

Strömungsgeschw. Dispersionsgeschw. Bodenstein-Zahl ( l3d)

3.2 Mischen (von Gasen) in Rohrleitungen

Für Gase ist die Mischgüte - bedingt durch Rohrturbulenz - oft aus­

reichend, besonders wenn Rohreinbauten, z.B. Blenden, Staubleche

vorliegen; auch Krümmer und rechtwinklige Zusammenführungen erhöhen

die Durchmischung. Eine 99%-ige Durchmischung in Rohren (Kanälen)

erfolgt auf der Weglänge f:

400 .(. Re /... 10 7

Beispiel: 4 Re=S·10 ;

8 d R Re O. 17 ( 14 )

d =200 mm· R ' ..(=10 m ~ relativ schlechte

Durchmischung

Eine bessere Durchmischung wird im Injektor-Mischer erreicht:

das Treibgas als eine Gaskomponente saugt das Schleppgas als 2. Gas­

komponente an, wobei in der Mischstrecke eine zusätzliche Durch­

mischung stattfindet. Im Diffusor wird die Geschwindigkeitsenergie

in Druckenergie umgewandelt (Bernoulli-GI., TC 11/1):

Düse Treibgas

~1-~~/~--~-----__ -+ f- Mischstrecke -!.-Diffusor ~

Schleppgas

Abb.1~ Schema eines Injektormischers

Weitere Mischapparate für Gase sind:

- Strahlmischer

- Mischkammer

Wissenschaftl. Grundlage: Vermischen im Freistrahl.

4 Formen

Formen (Stückigmachen, Kompaktieren):

für feinkörnige (pulverförmige) Schüttgüter --.. staubfreie

Körper als Rohstoff oder Endprodukt.

Zum Formen gehören:

Pressen Br ik~ t i~~ . ..n..!.. .1'ablet t ie~E!..t ..§tr~g}2~~~n..!.. feinkör­niges Gut wird mit oder ohne Bindemittel durch Druck mechanisch zusammengepreßt

Agglomerieren: ~~ra~li~eE.,_Pelletieren..L Krümel!!..: Verfestigung des feinkörnigen Gutes durch Benetzen mit H20 bei gleichzeitiger Drehbewegung des Gutes( Zu den Binde­mechanismen ~ Abschnitt 'f. "l ). Die Festigkeit der Formlinge (Grünpellets) kann auch durch Härtung (Ab­lagerung an Luft, Trocknung oder thermo Behandlung) erhöht werden.

Sintern: Zusammenbacken feinkörniger Güter durch Erhitzen bis nahe an den Schmelzpunkt bzw. Erweichungspunkt. Die Moleküle an Kornoberfläche fritten durch Gitter- und Oberflächendiff. zusammen. Auch für Pellethärtung.

4.1 Pressen

4.1.1 Anwendung

Braunkohle- und Steinkohlestaub werden zu Briketts verpreßt:

gute, staubfreie Lagerung und guter Luftzug auch bei hoher

Brennstoffschicht

Katalysator-Pulver wird gepreßt zu größeren porösen Stücken, so

daß der Druckabfall relativ klein bleibt, trotz großer innerer

Oberfläche

Arzneistoffe in Form von Tabletten: gen aue Dosierung, transport­

fähig, bequem einzunehmen und leichte Auflösbarkeit

Pigmente, Farbstoffe und Kautschuk-Hilfsmittel werden gepreßt

und sind bei der Anwendung leicht zerteilbar

Metallstäube (Pulvermetallurgie) werden gepreßt

Keramische Industrie: Herstellung von Gegenständen durch Pressen,

meist angefeuchteter Massen und anschließendem Brennen gehärtet

Einige Salze und Chemikalien, wie s.B. NaCN, Seifen, Futter­

mittel, Flugasche und Schlacke aus der Müllverbrennung werden

gepreßt: dadurch gute Verpackungsmöglichkeit, Transport, Lagerung,

Dosierung, ohne Staubbildung, keine Gesundheitsschäden

in Glasschmelzöfen: Brikettierung (Ziegelsteingröße) der ange­

feuchteten Rohstoffe ermöglicht staubfreien Betrieb.

4.1.2 Apparate

( Brikettieren I

( Strangpressen I a

-----Stempelpresse L __ ..L.lL.,----D,.;'-----'

.-I li ®

. . :.~ .. ' .... .. Walzenpresse

Ringwalzenpresse

Sintern

Cf) l.. u.r~ , - '&cl ",,-01 ~ i IA.-\e.r -

lM.~S c.Lt i ""- e.

Pelletieren

Abb -1.2. +or\t\A f!.lA PlA( vL.ff§rlNlisu stoffe

Pelletiertrommel

0.) Pre.~flcx'l.101l b) Prep&f--t""'~l c) Prt~Sct..""lrU..e.. d) Obt(sft~ p~ e,) ~~(Ac..l-~ f) Prefln'4.A8 ~) K..lo..ssifl.(tr' tt) Ab~~.t ;) f.o81~~ßtA.., ke-ile.. ~)rcL.f,.)CAM.8"D..oI i) f+ef->r~oI j) J)rlA.c~r()lle

It) 2.o~belfJ(3~ct<.~ltrfAMa .e) t-U,f;..01 o~ ~) ~acl,f,lbr.ecL&- L1) .fie.b

0) .fi IA.-I-e.r p) 'io.tl-Ise (a. ~ 10 CA. CA k.. u !I-) JOt ~ 9 k~.r~

1 Das Gut wird diskontinuierlich in eine Preßform (Matrize) ein­gefüllt und mit einem Oberstempel bis einige tausend bar zus.­gepreßt. Formlinge haben Durchmesser zwischen 0,3 mm und Ziegel­steingröße

Rundläufer-Presse: speziell für Pharmaindustrie entwickelt:

auf einer runden Platte sind viele Pressformen (also kreisförmig) angeordnet die umlaufen: bei 55 Stempel­anordnungen bis zu 400 000 Tabl./h.

2 besonders in der Kunststoff-Industrie: im Preßkanal der Exter­Presse bewegt sich ein Preßstempel horizontal hin und her. Der Endlosstrang wird in Formlinge bestimmter Größe gestückelt. Älteste Brikettiermaschine bes. für Braunkohle

Schnecken-Strangpresse: Weiterentwicklung der Kolbenstrangpresse: arbeitet mit einer Preßschnecke oder Messerwelle. Bes. in der Kunststoff-Industrie.

3 Doppelwalzenpresse: tragen auf ihrem Umfang jeweils die eine

Hälfte der Brikettformen (glatt oder geriffelt). Es entstehen Schülpen bis 10 mm Dicke oder Eier-Briketts: bis 50 t/h. Für schwer preßbares Gut.

4 in einem Preßring ist ein Preßrad exzentrisch angeordnet und läuft gleichsinnig um. Preßring und Preßrad tragen Formkanäle (Nuten). Im entstehenden Ringraum erfolgt Pressung. Hochdruck­und Hochleistungsmaschine für Briketts und Erze.

4.2 Agglomerieren (Granulieren, Pelletieren)

4.2.1 Anwendung

Eisenerz-Pellets für den Hochofen: heute werden 20% der

Eisenerze pelletiert, 50% gesintert

Zementrohmehle und Phosphate werden pelletiert

poröse Katalysator-Pellets: sehr große innere Oberfläche, bei niedrigem Druckabfall

Dünge- und Futtermittel (Granulate)

Flugstäube

Wasch-, Arzneimittel

Lebensmittelindustrie (Granulate)

Kunststoff-Granulate

Vorteile (Eigenschaften) der Pellets:

enge Kornverteilung bei großer innerer Oberfläche

Staubverminderung

Vermeidung des Zusammenbackens und Anhaftens

definiertes Verhalten in ruhender und bewegter Schüttung (Durchströmung, ~ p gering)

gute Dosierbarkeit

definiertes Schwebeverhalten in Gasen und Flüssigkeiten

hohe Festigkeit

gute Transportfähigkeit

hohe Schüttdichte, d.h. z.B. hoher Eisengehalt pro Volu~eneinheit

speziell bei Eisenerzpellets:

- gute Reduzierbarkeit durch hohen Oxidationsgrad und hohe Porosität

- geringer Schwefelgehalt

- gleichmäßige ehern. Zusammensetzung

- zur Anreicherung des Eisens aus armen Aufbe-reitungskonzentraten; zunehmende Bedeutung

4.2.2 Apparate

Herstellung feuchter Grünpellets

Härtung der Formlinge (Trocknung, Kaltaushärtung [COld bonded

pellets] , thermo Behandlung)

zu Abb 12:

5 Zur Herstellung von Grünpellets; durch die ROllbeWegun~uf der Mantelinnenseite der geneigten Trommel werden die Pellets geformt.

Zur Erzielung eines definierten Pellet-Durchmessers muß klassiert werden; Trommellänge: bis 10 m

Trommeldurchmesser: bis 3,5 m

--'-------.J • . :

Pellets -:~;~ 0°

zu Abb 12",

6 zur Grünpellet-Herstellung; Gut wird auf einen rotierenden und geneigten Teller gegeben und mit Benetzungsflüssigkeit besprüht; enge Größenverteilung ~ keine Klassierung, kein Rücklauf;

Vorteile:

• • •

raumsparend niedrige Investitions­und Betriebskosten fast wartungsfrei unkomplizierte Bedienung und überwachung

Pelletdurchmesser: 9 bis 15 mm (max. 50 mm)

Tellerdurchmesser: bis 7,5 m

Tellerneigung 30 bis 60 0

Tellerleistung: bis 105 t Pellets/h

Hauptanwendung: Eisenerz- und Zementrohmehl-Pellets

Härtung von Eisenerzpellets

im Schachtofen

auf Wanderrost (am weitesten verbreitet)

im Band-Drehrohrofen (Grate-Kiln-Verf. j jüngste Entwicklung)

4.3 Sintern

4.3.1 Anwendung

Eisenerzsinterung; Sinteranteil ~ 50%; heute überall, außer ~ zunehmend gute Sinteranlagen im Bau oder in Betrieb

Metallstäube werden gesintert

Sinterröstung für feinkörnige, sulfidische Erze (Pb-, Zn-Erze)

Brennen von Portlandzement aus Mergel und Kalkstein auf dem Sinterband (Herstellung von Baustoffen)

Sinterung von Flugasche aus Kraftwerken (vereinzelt)

Sinteranlage (1967, Berlin) zur Agglomerierung von Müllver­brennungsschlacke

4.3.2 Apparate

zu Abb 12 ~

7 Wanderrost und Endlos-Rostwagenkette; die Rostwagen werden zu­nächst mit einer 2 bis 3 cm dicken Rostbelagschicht (Korrosions­schutz der Rost-Stäbe) gefüllt. Auf diese Schicht wird die Sinter­mischung + Zuschläge (für Eisenerzpellets: Feinerz + Kalkzuschlag + Koksgriesbrennstoff) 200 bis 500 mm hoch geschüttet. Unter dem

Zündofen wird die Oberfläche des Sintergutes gezündet, wobei der Sintervorgang bis kurz vor dem Stachelbrecher abläuft. Der Rost­belag wird vom Sinter über ein Sieb abgetrennt und rückgeführt. Die entstehenden Abgase werden über Saugkästen, Gassammelleitungen und Entstaubung mit einem Gebläse abgezogen.

Saug:läng:e: bis t;::J 150 m

Saug:fläche: bis ~ 750 m2

Breite: bis ~ 5 m

Produktion: > 20 000 t Sinter/Tag

4.4 Bindemechanismen von Agglomeraten und Partikelhaftung

Haftkräfte zwischen realen Partikeln bis heute nicht berechenbar.

Die verwendeten Modelle gehen von ideal glatten, starren Kugeln aus.

Rauhigkeit und Verformung beeinflussen jedoch die Partikelhaftung

stark.

a) Haftmechanismen mit Materialbrücken zwischen den Partikeln:

Festkörperbrücken: im Kontaktbereich der Partikeln bilden sich

ab 60 % der absoluten Schmelztemp. Sinterbrücken aus.

- hochviskose Bindemittel: als Brücken zwischen den Partikeln oder

als Füllung der Porenräume des Agglomerates; über­

tragung von Kräften infolge ihrer Zähigkeit ?f. frei bewegliche Flüssigkeiten

(Kapillarkräfte) ~ wenn Agglomerate z.B. Wasser enthalten

o b c

Flüssigkeitsverteilung in den Poren eines Haufwerks a Kapillarbereich b Übergangsbereich c Brückenbereich

b) Partikelhaftung ohne Materialbrücken zwischen den Partikeln

_ van der Waals Haftkräfte: stets vorhanden durch Dipolmoment-WW; - -19 .. f WW-Energie E = 8·10 J, großte Ha t-

D -9 kräfte bei Kontaktabstand ~0~O.4·10 m

_ elektrostatische Kräfte: durch gegenpolige überschußladungen

oder durch Kontaktpotentiale hervor-

gerufen.

TC 11 7/8

Kontaktieren von Schüttgütern/Fluiden und von Fluiden/Fluiden

(Stoffvereinigung 11)

1

2

2.1

2.2

2.2. 1

2.2.2

2.2.3

Einleitung

Kontaktieren von Schüttgütern mit Fluiden

Apparate

Ruhende Schüttschicht (Festbett)

Porosität, Schüttgutdichte und Schüttwinkel

Oberfläche der Körner und Korndurchmesser

Druckverlust

2.2.3.1 Fehling'sche Gleichung

2.2.3.2 Ergun'sche Gleichung

2.2.~.3 Allgemeine empirische Gleichung

2.2.4

2.2.5

2.2.6

2.3

2.3.1

Effektive Dispersion (Durchmischung)

Effektive Wärmeleitung

Stoff- und Wärmeübergang

Wirbelschicht (Fließbett)

Strömungszustände (Erscheinungsformen)

2.3.2 Anwendungen, Vor- und Nachteile

2.3.3 Druckverlust am Wirbelpunkt

2.3.4 Lockerungsgeschwindigkeit (Wirbelpunkt)

2.3.5 Wärmeübergang Wirbelschicht/Wand

2.3.6 Wärme- und Stoffübergang Partikel/Fluid

2.3.7 Dreiphasen-Blasenmodell der Wirbelschicht

2.4 Wanderschicht, Flugstaubwolke und Rieselwolke

\

2.5 Aufwirbeln von Feststoffen in Flüssigkeiten (Rührwerke)

2.5.1 Theorie des Aufwirbelns (Suspendierens)

2.5.2 Stoffübergang Partikel/Flüssigkeit

3 Kontaktieren von Fluiden mit Fluiden

3.1 Apparate

3.2 Auswahlkriterien für Fluid/Fluid Reaktoren

3.2.1 Austauschfläche (Phasengrenzfläche)

3.2.2 Gas/Flüssigkeits-Verhältnis (Gas Hold-up)

3.2.3 Selektivität

3.2.4 Wärmehaushalt

3.3 Hydrodynamik, Austauschfläche sowie Stoff- und Wärme-

übergang in Zweiphasen-Reaktoren

3.3.1 Maßstabsvergrößerung (Scale-up)

3.3.2 Dünnschichtreaktor

3.3.3 Füllkörperkolonnen

3.3.4

3.3.5

3.3.6

3.3.7

Rührkessel

Blasensäule

Schlaufenreaktor

Rohrreaktor

- ..... - TC 11/10)

zu 1

Kontaktieren: ist das Vereinigen von Stoffen, die nicht miteinander

mischbar sind:

Schüttgüter mit Fluiden

unvollständig lösl. Gase mit Flüssigkeiten

unmischbare (unlösliche) Flüssigkeiten

Schüttgüter können sein:

Wärmeträger

Katalysatoren

Adsorbentien

Reaktionsteilnehmer

Kristallkeime

Fluide können Schüttgüter:

kühlen

heizen

trocknen

zersetzen, reduzieren, oxidieren

verbrennen

lösen

extrahieren

Kontaktieren von Fluiden mit Fluiden:

Rektifikation (----TC 11/10)

Flüssig-Extraktion (~TC 11/12)

Gase werden mit Flüssigkeiten kontaktiert:

} Fluide/Fluide

Absorption von Gasen zur Entfernung von Verunreinigungen des Gases

Gase mit Flüssigkeitsdämpfen zu beladen

Gewinnung von Gasen durch Absorption und anschließender Desorption

Erhitzen von Flüssigkeiten mit Brenngasen oder Dampf

Reaktionen mit Flüssigkeiten zu ermöglichen

Gewinnung von gelösten Stoffen in Flüssigkeit durch Verdampfung der Flüssigkeit

Austreiben gelöster Gase in Flüssigkeit mit Trägergas

2 Kontaktieren von Schüttgütern mit Fluiden

2.1 Apparate

Das Haufwerk kann ruhen oder durch Strömung bzw. mechanische Ein­

richtungen bewegt werden:

Kontaktofen

® mit Gas

d

Lagerndes Schüttgut (Haufwerk)

Festschicht (l=u~b t:J4-) (~ovi""1 Wanderschicht ~d

rutschend gefördert

b

C_~§--d I---+---e

9

Zellstoffkocher Schachtofen Sinterband

Bewegtes Schüttgut

durch Strömung bewegt

Wirbelschicht

it Flüssigkeit ~ expandiert

! f ® Rieselwolke

~

m

LLL..l---'-1.J.J __ d

mechanisch bewegt

.•.... ~ k

Herd mit Krählwerk Drehrohr mit Gas Drehrohr mit Flüssigkeit Rührwerk

Abb.1 !.olA..fctk-fi ~ Ot Pf>Ot r (Ale- VO V\ ~cL. (.;, #f; Li.. W Lt

~+ nU., ole1A a) Möller; b) Gichtgas; c) Schmelze; d) Luft;

c) Schlacke; f) Abgas; g) Frischgas; h) Flüssigkeitsumlauf; i) Öl; j) Heißluft; k) Abbrand; I) Flugstaub.

~) t\;..4< fi;.lAv tt)k{Oll\ "') v.!)lrbe..l~~jt~+ Ofu. t» ~.e..&U t...) alt.<. e

2 Festschicht wird chargenweise eingefüllt und mit Fluiden im Kreislauf behandelt; z.B. Holzschnitzel mit Lösungen.

3 Wanderschicht: Haufwerk wandert relativ zum strömenden Fluid langsam durch den Apparat (infolge Schwerkraft): z.B. Hochofen­prozess;Äp sowie Wärme- und Stoff transport ähnlich wie in Fest­schicht. Reibung zwischen den Körnern kleiner und Schüttwinkel geringer als bei Festschicht ~ Wanderschicht rutscht leichter durch Apparatur als Festschicht.

6 Umsetzungen von Flüssigkeiten an festen Katalysatoren oder Adsorption von Verunreinigungen im strömenden Fluid an Fest­stoffen.

7 ~: ~irkulierende ~irbel~chicht: Feststoff wird vollständig aus­getragen und über einen Zyklon rückgeführt. Die öleinspritzung dient zur Energieerzeugung im Wirbelschichtofen: Calcinierung von Tonerdehydrat, Kohlestaubfeuerung (~ umweltfreundliche Kohleverbrennung) Flugstaubreaktor: nach dem Austragszyklon erfolgt keine Rück­führung des Feststoffs, wenn d K =0.02 bis 0.5 mm und kurze Ver­weilzeit ausreicht: Rösten von Erz im Schmelzzyklon

8 Rieselwolkenreaktor: Schüttgut bildet Rieselwolke, ohne gegensei­tige Berührung der Körner; Zerstäubungs- und Schleudertrockner, Staubröst- und Schwebeschmelzöfen

9 Etagenöfen: Feststoff wird radial von innen nach außen so geför­dert, daß er durch Fallschächte von oben nach unten fällt, wobei Luft auf jeder Etage zugegeben wird. 2 bis 8 m Druchmesser, 3 bis 16 Herde übereinander; Welle + Krählarme luft- oder wassergekühlt; Rösten sulfidischer Erze; Trocknen von Schüttgütern, chlorierende Röstung von Abbränden, Glühen von Bauxit und Ton

10 Feststoff rotiert und wird zum Austrag gefördert. Gase strömen im Gleich- oder Gegenstrom: flexibler und höhere Raumzeitausbeute als Etagenöfen; Nachteil: Dichtungsprobleme an Rohrenden; Zementherstellung: bis 200 m Länge; Pelletbrennen, Sintern. Direkt-Reduktion von Eisenerzen, Rösten und Reduzieren von Erzen, Trocknen und Calcinieren vieler Schüttgüter.

2.2 Ruhende Schüttschicht (Festbett)

Ruhende Schüttschichten können sein:

Katalysatoren, Adsorptionsmittel und Wärmespeichermassen,

die lange Zeit am gleichen Ort bleiben

z.B. Holzschnitzel oder Extraktionsgut, die chargenweise

ausgewechselt werden

z.B. Möller im Schachtofen, umlaufende Wärmesteine oder

Adsorptionsmittel, die durch den Apparat rutschen

bewegte Güter, auf Wanderrosten (Sinterband und Drehrohre)

2.2.1 Porosität, Schüttgutdichte und Schüttwinkel

4- € -K

VH

V ges 1 -

(Ab)

(2.a.)

V

Vs V ges

ges Vs :

1-EK :

mS (lc) gH

(la)

rel. Zwischenkornvolumen, rel. Porenvolumen, Lückengrad, Porosität

Hohlraumvolumen, Volumen zwischen den Körnern

Gesamtvolumen der SChüttung

Feststoffvolumen

rel. Volumen des Feststoffs

Feststoffmasse

Schüttgutdichte (Scheindichte)

Schüttwinkel (Böschungswinkel)~

Abb . .2..

maximaler Neigungswinkel einer Schüttgut­oberfläche gegen die Horizontale, d.h. bei ~frutscht das Schüttgut gerade noch nichtab.

Definition des Böschungswinkels f

2.2.2 Oberfläche der Körner und Korndurchmesser

f _ o K,eff o K,Kugel

( _____ TC I I / 2 )

r - 1 t..... 1 f

> 1

( 3b)

( 3a)

f: Heywoodzahl

o : reale Kornoberfläche K,eff o 1: ideale Kornoberfläche

K,Kuge (als Kugel)

~ : Sphärizität (Kugelförmigkeit)

Für die spezifische, d.h. volumenbezogene Oberfläche Sv eines Hauf­

werks gilt mit Gln.(1b), (3), wenn vS~VK,Kugel gesetzt wird:

°K,eff °K,Kugel f 6(1-fK) f Sv = - Vges V d K K,Kugel

( 4 )

1- E. K

Bei einer Korngrößenverteilung d K,1' d K,2 ... dK,n muß in Gl.(4) d K durch einen mittleren Korndurchmesser dK ersetzt werden:

1

Aus Gln.(4) und (5) folgt:

( 5 )

äquivalente Korndurchmesser der 1. ... n. Frakt ion

mittl. Korndurchmesser, bei dem alle Körner gleich große Kugeloberfl.haben, die mit der Gesamtoberfl. der Mi­

schung übereinstimmen

( 6 )

aus Gl.(6) folgt: Sv kann für eine bestimmte Kornmischung bei be­

kannter Korngrößenverteilung (n variabel) einem

Diagramm entnommen werden:

107

m2

t m3

106

>I~ (f) 'f .-

105

10-2

n= 0,7 0,8

0,9 1,0

1,1

2.2.3 Druckverlust

1,2 1,3

mm 10

A-bh. 3 .!.

ObQ.( fl ii cl, t. Sv pro ~ . k:or k fAA. ~ ft( i 0( L oIofl< /1 a: clt tAAf3/ th -c/Al-r 1LfA.'(jtUl1 iK '*'~. VOtA, _

~ 1I/1..(.t.cA t(on., ctuy ct. tA.1.Q~.er of k ~c( dtlA-. ~ {I! .. ;et, fM ti·~/1kD.;6-

tfA.kfo.r n k~c.( lloS.ik - IZaklt ...... /.fI.r

Universelle Gleichungen für den Druckverlust 4 p in techn. Festbetten

sind mit relativ großen Fehlern behaftet, da viele Einflüsse aufAp:

Lage, Verteilung und Form des Korns

Grenzflächenphänomene (Adhäsion, Oberflächenspannung)

Expansion und Kompression als Folge von Formwiderständen ... 6 (~c!~"'!; cu.. • IA.(J.V"

~ empirische"'; genaue Gleichungen für AP'für wenige Spezialfälle

2.2.3.1 Fehling'sche Gleichung

Aus der allgem. Gleichung für den DruckverlustAP (vergI. TC 1/4):

(7a)

ergibt s ich die (Fehling' sche Gleichungl für A p zu:

1

CK4

Herleitung von GI.(7b):

Für den Druckverlust gilt:

~f (7b)

F 6 p = w,h

- AR (8a)

Nach Fehling läßt sich die Widerstandskraft F h der Schüttung aus w, den Einzel-Widerstandskräften F aller im Festbett vorkommenden, w nicht-kugelförmigen Körnern der Anzahl z und der Porosität € K be-

rechnen:

F = w,h (8b)

worin

und mit Gl. (lb):

z =

F w F w,K

V ges

(8c)

(8d)

(8e)

sowie für r=l (Einzelkugel mit d K) aus GI.(7a):

F w,K

aus GIn. (8a) bis (8f) folgt für 6/4 g .. :: ~ die Fehling'sche Gleichung (7b)

F w,h F w,K

Widerstandskraft des Festbetts

Widerstandskraft einer Einzelkugel

wK(Re): Widerstandszahl für Einzelkugel

( 8f )

Volumen von äquivalenten Kugeln des mittleren Durch­messers dK

h Höhe des Festbetts

Strömungsgeschw. des Fluids im Leerrohr

Dichte des Fluids

f (e:K): Korrekturfaktor für relatives Zwischenkornvol. e K

d R : Durchmesser des Festbetts

AR=1r;4dR2 : Querschnittsfl. des Festbetts

rel. Korn-

SchOlIgut Korndurchmesser Dichte zwischen- Korrektur-raum- raktoren volumen

dK l!, Eil I

J mm kg/m J K E4f<.

Silicat-Kontakt körner 3 bis 5 1600 0,37 53 1,8 Bleischrot I 10800 0,39 43 1,6 Glasperlen 0,3 bis 6 2400 0,40 39 \,9 . Seesand 0,3 bis I 2640 0,42 32 2,1 zerkleinerte Steinkugeln 1,4 2640 0,45 24 2,1 runder Sand 0,03 bis 0,4 2660 0,47 20 2,5 FISCHER-TROPSCH-Katalysator 0,07 bis 0,4 5000 0,53 12 1,5 kantiger Sand 0,06 bis 4 2660 0,56 10 3,6 RAscHlo-Ringe 2) 8 bis 25 0,71 3,9 8 BERL-S:lttel J) 10 bis 25 0,74 3,3 6

I Bei lockerer EinschOllung: 2 Höhe"" Länge"" d;: Wanddicke "" d;/8: 1 Höhe"" Breite"" d;.

Tab. /f Korrekturfaktoren E.K, f zur Berechnung des Druckverlustes

d p nach GI. ( 7b) und GI. ( 9d ) .

Bemerkung zu Gl.(7b)

Ist d R ~ dK (z. B. Katalysatoren in schmalen Rohren) dann tritt in

Gl.(7b) ein zus8tzl. Korrekturfaktor

1 auf, 1 +3.5 dK/d R

der den DruckverlustAp erniedrigt, infolge der geringeren Packungs­

dichte an der Rohrwand (e K (J ~a~r ) .

2.2.3.2 Ergun'sche Gleichung

Im Bereich der laminaren Strömung (Hagen-Poise~ille) folgt aus

Gl.(7b) für wK = ~! ~ u~tK (9a)

(9b)

~Pt : Druckverlust im laminaren a Strömungsbereich

Nach Ergun setz~ sich der Druckverlust~p aus einem laminaren und~ - eV'c'bf ,.'

b 1 'I d h 1 (9b) d (7b) >I' ., : tur u enten Ante1 zusammen, .. aus G n. un

~p=

1-! K f:3!f

K

(9c)

"

GI. ( 4 ) (mit f=l, €. =0) S = 6 oder aus K V dK

sowie mit a l ~ 5, a 2 ~O. 3

(1-€K) 2

1-{ h

V f S f U o h K 2

~p 150 - 2 2 + 1. 75 erSf

U o (9d) d K CK d K K

2.2.3.3 Allgemeine empirische Gleichung

Der DruckverlustAp beim Durchgang strömender Gase und Dämpfe durch

ruhende Schüttschichten berechnet sich angenähert nach der

allgemeinen empirischen Gleichung:

( 10 )

-Schüttgut d K a 3 n

(mm)

Sand 1.6 bis 2 24.5 1. 46

Anthrazit 8 bis 17 1. 88 1. 75

Raschig-Ringe 25 1177 1. 90

Tab ~zur Berechnung von A p nach GI. ( 10) für das Fluid Luft von

20°C

Druckabfall6p bei FluidjFluid-Gegenstrom in ruhenden Schüttschichten:

Gegenstromdestillation

Absorption

Gasbefeuchtung in Füllkörperkolonnen

25 mm -Raschig-Ringfüllkörper a 3 n

trocken 1177 1. 90

berieselt: Berieselungsdichte 1 m3 j(m 2 h) 1422 1. 95

" 4 m 3 jjm 2 h) 1508 1. 96

Tab.3 Zur Berechnung von 0 p nach GI. ( 10) für Luft jWasser­Gegenstrom

2.2.4 Effektive Dispersion (Durchmischung)

Die sich im Festbett ausbildende Zopfströmung bewirkt ei~nen Stoff­

transport durch~ispersion (Diffusion, effektive Diffusion) der

durch DGL.(~If~~bprinZiP beschreibbar ist. Allerdings erweist sich

M als abhängig von der Raumrichtung und der Fluidgeschw. uO:

,.. n:I16 für Re gilt, entsprechend GI.(13d):

UO/€.K d Bo K ~2 ~ M !;;: 0.5 uO/€K d K a - M a (lla)

a

uO/c'K d K 10 ~ IV 0.1 uO/e.K d K Bo IX, M r - M r- ( 11b)

r

~ axialer Stoff transport ist viel größer als radialer und bedingt

eine Rückvermischung (~nicht-ideale Rohrreaktoren). Die radiale

Durchmischung kann für den radialen Wärmeaustausch jedoch bedeutend

sein. M , M : a r

Bo , Bo : a r

2.2.5 Effektive Wärmeleitung

axiale, radiale

axiale, radiale

Abb.'f Zopfströmung und Wärmetransport in einem Festbett

Mischungskoeff. cl.,...""" -"". (

r '\.< ~ -r-""" Bodenstein­Zahlen

cu konvektiver W8rmetransport durch Zopfströmung des Fluids bedingt

o W8rmeleitung und W8rmestrahlung durch das Kornzwischen-raumvolumen

CD W8rmeleitung im Korn (Schüttgut)

,... n:..r/~ Es gilt in Analogie zu Gl.(13a) eine W8rme-DGL, die die zun8chst un-

bekannte effektive W8rmeleitf8higkeit7Leff enth8lt.

Es kann gezeigt werden, daß für eine Kugelschüttung mit Es =0. ": gilt:

;\ eff ~g

=

Term I

Pe uOd K

- a g

Pe K

I konvektiver

Wärme­transport

= Re Pr

+

]I Wärmetransport

im Korn­zwischenraum

Peclet-Zahl

+ (1- €~)~ '1\

g TT[ WM.rmetransport im Schüttgut

für Pe ') 10 3 allein Term I zu berücksichtigen

Term 11

*).,* =.....9: = ~g

mit Nu .. rN,

K = 8 • C- (1-2 :K YJ: rc;tdiale L R R1chtung

K = 1,3 : axiale Richtung

1 + Es.Nu J r(\V\

o . 04 °0 2-~- 1

T 3 (100 )

(12b)

(12c)

Term 111

Ä,g, K =

/\..g f (;tK / )" , Bi ) -- Diagramm

9 ~ (Abb S) (12d)

mit

(12e)

:' 103.....---------------~___r_r_~~

10 AK/Ag-

Ahb.5' Wärmeleitfähigkeit einer Schüttung A~.K ohne Strömungseinnuß in Abhängigkeit von der Wirmeleitfähigkeit des Kornmaterials AK und des Gases A. sowie von der Wirmestrahlung .

Temperaturleitfähigkeit des Gases

Wärmeleitfähigkeit des Korns

Stefan-Boltzmann-Konstante

NuracL Strahlungs-Nusselt-Zahl

Bir~Strahlungs-Biot-Zahl T

Emissionsverhältnis der Kornoberfläche

Temp. der SchOttung

~9 ~*

g

Wärmeleitfähigkeit des Gases

Wärmeleitfähigkeit im Kornzwischenraum unter Berücksichtigung der Wärmestrahlung

~9,K K

Wärmeleitfähigkeit der Schüttung

Kontstante, mit der geo­metrische Einflüsse be­rücksichtigt werden

2.2.6 Stoff- und Wärmelibergang

+';'r O,:!> c::: EI( ~ D,S: tuA.ot do <: 1- Ek R..e. <:: ~()O

~owie A < ?f /@f 1) ~ 2..000 1-;l-l-: ~

Sc

(~1off ~bJL(~O\M~ :

E K ~ dK. -1-E K J)

I y

Sh wÖ:f"CJ\A~~b.L.( a~fj' :

0<. 0( K

A..f ~

~&~

~I 0( "'~ f7. 0,331

... (A3b)

Pr

Sh Stofflibertragung (bdK - Diffusion - D Sherwood-Zahl (13c)

Sc Impulstransport V - Stoff transport - D Schmid~Zahl (13d)

Pr ImJ2ulstransport c pr") - Wärmetransport - ;t..

Prandtl-Zahl (13e)

2.3 Wirbelschicht (Fließbett)

2.3.1 Strömungszustände (Erscheinungsformen)

i u4u wp RUheschüttung

(Festbett)

t

u )u wp blasenbildende Wirbelschicht .

I

. . ' ", . • 'P. , . .

"

,~ , t , '. , ,

'f u<:u wp moving bed

(Schüttgut sinkt langsam nach unten)

t

stoßende Wirbelschicht

u =u wp homogene Wirbelschicht im Lockerungs­punkt

-

t u».>uwp

Expandierte (zirku­lierende Wirbelschicht (Strähnenbildung)

Abb. ~ CL Strömungszustände von Wirbelschichten

Fließbett

(fluidized bed)

. ,,', . :,"

'" .

Flugstaubwolke

(flash reactor)

_Feslsloff <>-- Trogergos

ZWS Grenzbereich zur pneumatischen Förderung

Abb. ~b Expandierte Wirbelschichttypen mit nachgeschalteten

Zyklonen; ZWS = zirkulierende Wirbelschicht

2.3.2 Anwendungen, Vor- und Nachteile

A) Physikalische Verfahren B) Chemische Reaktionen

1. Rein mechanische Verfahren Mischen - Entmischen Fördern

1. Feststoff als Wärmeträger homogene Reaktionen Pyrolyse

Gasreinigung Granulieren (~irbeL!i JIl-k..t-

2. Wärmeübergang VLtf·)

2. Feststoff als Katalysator heterogene Katalyse

Erwärmen - Abkühlen 3. Feststoff als Reaktionsteilnehmer

heterogene Reaktionen

3. Wärme- und Stoffübergang ITrocknenl- Befeuchten Adsorbieren - Desorbieren Destillation Sublimieren - Desublimieren Beschichten

Wirbelschichtreaktoren werden für folgende Reaktionen eingesetzt:

a) Nicht-katalytische Reaktionen

Kohlever~asung Fluid cokmg Pyrolyse von agglomerierenden Kohlen Pyrolytische Spaltung von Methan Verkohlung von Destillationsrückständen von Rohöl Herstellung von Aktivkohle Herstellung von E .thylen durch Rohölspaltung Kohleverbiennunß OIschieferverbrennung Verbrennung von kommunalen und industriellen

Klärschlämmen Verbrennung von Schwarzlauge Rösten von Pyriten und sulfidischen Cu- und Zn-Kon-

zentraten Verbrennung von Schwefel im Sand bett Spaltung von Abfallschwefelsäure und Sulfaten Spalten von Chloriden (FeCI 2 , NiCI 3, AICI 3) Verftüchtigung von Rhenium Brennen von Kalk und Dolomit Zementbrennen Entgasen und Carbonisieren Reduktion von Eisenerzen und Metalloxiden Chlorieren von Aluminium-, Titan-, Nickel-, Kobalt-,

Zinn-Erzen Chlorieren von Pyritabbränden und Eisenerzen Chlorieren von Kalk Calcinieren von Aluminiumhydroxid zu AI 2 0 3

AluminiumsuIfat aus Bauxit Herstellung von Aluminiumtriftuorid, Vrantetraftuorid,

V ranhexaftuorid Herstellung von reinem Wolfram über Fluorid Calcination von Rohphosphat Herstellung von Phosphoroxychlorid Herstellung von Schwdelkohlenstoff Adsorption von Schwefelkohlenstoff Herstellung von Hydrazin Herstellung von Salpetersäure Herstellung von Ammonium- und Natriumnitrat Herstellung von Soda Herstellung von HCN Oxidationsftuorierung von V0 2

Hydrochlorierung von Uran-Brennstoffelementen Urantrioxid aus Vranylnitrat Coating von Brennelementen durch pyrolytische Spaltung

von Kohlenwasserstoffen oder Chlormethylsilanen Rückgewinnung von Vran aus Kernbrennstoffen Fluorentfernung aus Abgasen von Aluminiumelektrolysen Aufheizen von Wärmeträgern, z. B. Sand Kühlung von Massengütern, z. B. Düngemittelgranulaten Trocknen von Flotationserzen, Rohphosphat und ande-

ren feinkörnigen Massengütern

b) Katalytische Reaktionen Ölspaltung und Reforming Herstellung von hochprozentigem Benzin aus Gasöl Olefinerzeugung aus Rohöl Chlor durch Oxidation von HCI Acetylen aus Methan Herstellung ungesättigter Aldehyde Reduktion von Nitroverbindungen zu Aminen Oxidation von S02 zu S03 Phthalsäureanhydrid aus Naphthalin Maleinsäureanhydrid aus Benzol Formaldehyd aus Methanol .. Chlorierung von Methan und Athylen FISCHER-TROPscH-Synthese Hydrierung von Äthylen Oxidation von Ammoniak und Äthylen Butadien aus Äthanol Isopropanol-Dehydrierung

Isomerisierung von n-Butan Nachchlorierung von PVC Zerfall von Ozon Nachverbrennung von Gasen Herstellung von Chlorkohlenwasserstoffen Herstellung von Melaminharzen Jsoprensynthese Reduktion von Vinylacetat Herstellung von Acrylnitril

Vor{e; le-

- einfache Handhabung und Transport des Feststoffs durch flüssigkeitsähnliches Verhalten der Wirbel-schicht,

- gleichmäßige Temperaturverteilung infolge intensiver Feststoffdurchmischung, - große Austauschfläche zwischen Feststoff und Gas durch kleine Korngrößen des Feststoffs, - hohe Wärmeübergangszahlen sowohl zwischen der Wirbdschicht und eintauchenden Heiz- und Kühl-

flächen als auch zwischen Feststoff und Anströmgas.

- Austrag des Feststoffs erfordert aufwendige Feststoffabscheidung und Gasreinigung, .- intensive Feststoffbewegung kann zur Erosion an Einbauten und zu nennenswertem Abrieb des Fest-

stoffs führen, - Agglomeration des Feststoffs kann Zusammenbrechen der Fluidisation zur Folge haben, - hohe Rückvermischung des Gases reduziert Umsatz einer chemischen Reaktion, - Blasenentwicklung bedeutet im Fall einer katalytischen Reaktion unerwünschten Bypass bzw. sehr

..2ß:ite Verweilzeitverteilung des Reaktionsgases, -- Gegenstrom Gas/Feststoff ist nur in Mehrstufen-Anordnungen angenähert zu verwirklichen, - Maßstabs vergrößerung von Wirbelschichten ist unter Umständen schwierig.

2.3.3 Druckverlust am Wirbelpunkt

Für den Druckverlust~p am Wirbelpunkt (Lockerungspunkt) gilt: wp

( 14 )

Herleitung:

Am Wirbelpunkt gilt die Kräftebilanz (Kräftegleichgewicht):

(15a)

aus GI. ( 1b) FG msg = fs Vs 9 (.f ( l-l ) A h 9 S wp wp (15b)

F = mfg = Jf Vs 9 = j'f (l-c;.,p) A h 9 A wp ( 15c)

Aus GIn. ( 15a) bis ( 15c) folgt:

( 15d) ~ (14)

rel. Zwischenkornvolumen am Wirbelpunkt

Querschnittsfläche der Schüttschicht

Schicht höhe im Wirbelpunkt

Bemerkungen zu GI.(14)

1.6p : Gleichgewichtswert der stationären Wirbelschicht + f(u O) wp

2. Ausdehnung der Wirbelschicht:

h wp 11 =

= const. + f(u O)

1-( K

1-$" vwp

( 16 )

( 17)

Im Bereich des Festbetts sowie des Feststoffaustrags wird 6 p (uO) .

~ GIn. ( 7b ), (9d)]

/AkfO\.""e'vl.t/irÖ 6 ~9 o(t~ FntbeAJ.u

...-..-merktlcher

Feststoffou st rag

Slr,kgeschwln-dlgkelt CL,.«.

\P1'-----:,------3O---lAwf--'----:-\-~---'-' -LI 1-':-'0---2'-0 -3-'-~-----'--\0--'-' ~'~' l-'-~O ---Jl--~-U ACb -=t Luflgeschwlndlgkelt Ua [cmls] tt. ... t..t 0 0

1.

Druckverlust über Gasgeschwindigkeit Uo für eine Sandwirbelschicht

Schnittpunkt zwischen Wirbelschicht und des

horiz~~~:~ftDruckver1ustlinie der Ol"'" . Festbe €wp erglbt Lockerungsge-

schwindigkeit uwp _( --~ .. ~ Abschn. 2.3.4)

2. Druckverlustlinie des Festbetts mit C. erhält man, wenn man das wp Wirbelbett mit sinkendem Uo wieder in das Festbett übergehen

läßt. Dann wird keinAp durchlaufen, da Festbett locker bleibt max

3. Druckverlustlinie des Festbetts mit eK verläuft bei höherem ~p,

wenn Gasgeschw. von uO=O an zunimmt. Im Bereich uO~uwp kommt

es i.a. zu einemAp infolge der Anfangsverfestigung des Fest-max betts auf grund dessen Eigengewichts. Beim Überschreiten des

Wirbelpunktes wlrd durch die einsetzende Fluidisation diese An-

fangsverfestigung zerstört, so daß A p auf den stationären max Gleichgewichts-Druckverlust 6 p abfällt. ------~~----------------------~~wp-

4. Der übergang Wirbelschicht/pneumatische Förderung ist noch recht

unklar. Bei Feststoffaustrag, d.h. wenn uO~urel (urei: ..... TC 11/3

Gl.(8b)) wird,dp(.,öp . Ist uO>u ,dann werden alle Partikel wp "'- wp ausgetragen ~ bei unverzögerter Rückführung des ausgetragenen

Feststoffs steigt ~ p wieder an (tl p ~6P ) infolge der Beschleu­wp nigung ausgetragener Partikel.

2.3.4 Lockerungsgeschwindigkeit (Wirbelpunkt)

Am Wirbelpunkt (Lockerungspunkt, Minimalfluidisation) ist die minimale

Wirbelgeschwindigkeit (Lockerungsgeschw.) u erreicht. Sie berech-, ", .':Ir

net sich als Schnittpunkt zwischen der tPr\i8'kV'er'l'ustlinie.6 p des Fest-

betts und des Wirbelbetts6p . Aus Gln.(7b) und (14) folgt also aus wp

~f~~4it u O= uwp ' h= hwp und CK=CWp

2 u wp = (18a)

Mit t wp=0.5, -s =1.8 (Silicat-Kontaktkörner) folgt aus Gl.(18a):

u d für Re _ wp K < 2 (laminar), d. h. wK= R24 (Stokes' sches Gesetz):

und

~f e

s -J' 0.0015 S f

1 f (18b)

für Re ~ 10 3 (turbulent )/d.h. wK = 0.44 (Newton'sches Gesetz):

u wp O 08 !S-.Pf -d

. j>f 9 K (18c)

2.3.5 Wärmeübergang Wirbelschicht/Wand

. QWS = o(WW A .6T

CX WW

AT

A

( 19 )

ausgetauschter Wärmestrom zwischen Wirbelschicht u. Wand

mittl. Wärmeübergangskoeff. zwischen Wirbelschicht u. Wand

mittl. Temperaturdifferenz zwischen Wirbelschicht u. Wand

mittl. Wärmeaustauschfl. (Wand oder eingetauchte Fläche)

o(WW ist bisher nicht vollständig mit Formeln zu beschreiben, insbe­

sondere infolge der Inhomogenitäten (Stoßen, Blasenbildung) der

Wirbelschicht ~ ~W.s. w,.,ol cJaUA.,'..f 0( tvw

1. Eigenschaften des Fluids: lAa lA.~~ Ot ~ VO~ ~

c f' A...f(T) p,

2. Eigenschaften der Feststoffpartikel:

c K' A.. K, Agglomerisation p,

3. Eigenschaften der Wirbelschicht:

Strömungszustand (z.B. Stoßen, Blasenbildung, u ) wp

4. Geom. Größen

d R, h, Konstruktion des Anströmbodens (Art und Auslegung der Gasver­

teilung) sowie von Eigenschaften eingetauchter Wärmeaustauschflächen:

Durchmesser, Länge; gegenseitiger Abstand; Anordnung quer od. para­

llel zur Strömungsrichtung

u o > u ,.., wp

Festschicht Wirbelschicht Flugstaub

u-

Abb. ?1 Typischer Verlauf des WärmeUber­gangskoeffizienten X Wirbclschicht/Wandnäche mit steigender Strömungsgeschwindigkeit u • >c

D(ww

Steiler Anstieg von 0( WW durch zunehmende Feststoff­

Vermischung

Abfall vonO(WW nach dem Maximum, bedingt durch abnehmende

Feststoffkonzentration

VesentlichenEinfluß auf ~WW hat d K:

600...-----------,

W/lm2 K) 500

mit abnehmendem d K wird alsoc<ww größer.

Entscheidend für großesO( ww:

400

11 300 ;

Verweilzeit und

Konzentration d. Partikel an Wärmeaustauschfläche A.

200

100

0,25 0,50 0,75 m/s 1,0

UIolP

Abb.8 Einfluß des Teilchendurchmessers auf den Wär-meübergangskoeffizienten WirbelschichtiWand

a) d = 878 11m Sand; b) d = 503 11m Silica­gel; c) d = 375 11m Schwammeisen; d) d = 195 11m Schwammeisen; e) d = 128 11m Formsand; f) d = 128 11m Glaskugeln poliert.

2.3.6 Wärme- und Stoffübergang Partikel/Fluid (-+Ab~. ol.S.2.)

noch schwieriger zu berechnen als Wärmeübergang Wirbelschicht/Wand

weil:

1

Auswahl und Messung von AT

reale Austauschfläche A zwischen Partikel/Fluid nicht bekannt

1~~--------------------~~

Sh, Nu (Einzell<Ugell

1

10-4 L--'---'--...........J_-'--~i.-LJ._'--..L..-I-U-~-'--'-.......

10-1 1 10 103

Re-

Re -

Sh -

Nu -

(6:

uwpdK

Vf

f> d K D

O<dK

?Lf

Stoffübergangskoeff. Korn/Fluid

Wärmeübergangskoeff. Korn/Fluid

Abb. -10 Wärme- und Stoff-übergang Korn/Fluid an Einzelku­geln sowie in Wirbelschichten und Festschichten

1

2.3.7 Dreiphasen-Blasenmodell der Wirbelschicht

Der den Wirbelpunkt übersteigende Gas-Volumenstrom V=AR(UO-UWp )

durchströmt das Bett in Form von Blasen (blasenbildende Wirbelschicht),

für die ein sog. Dreiphasenmodell entwickelt wurde:

lLb

X :

Aufstiegsgeschw. der Gasblase

Durchmesser der Wolke

mittl. Blasendurchmesser der volumengleichen Kugel

Höhe über Anströmboden

uo: Gasgeschw. in der homogenen Phase

~,L..A~~-Schleppe (wake)

t t t t t t1 'iJt::r:~~~ Abb.11

1.

Dreiphasen-Blasenmodell der inhomogenen Wirbelschicht

= Uo - u + 0.71 wp (20a)

(20b)

ub : unabhängig vom Feststoffmaterial

2. Blasenwachstum in x-Richtung durch Koaleszenz größerer (schnel­lerer) Blasen mit kleineren (langsameren) Blasen infolge Unter­druck an der unteren Seite der Blasen:

(1+6,84x)1.21 (21 )

3.1 Fall ub>uO (schnelle Gasblase): in ~echnischen Reaktoren i.a. erfüllt.

~iests+off - SkoWlI ; ~ ; e /~~~r-L\ ~otke

Blasengas zirkuliert innerhalb der Blase

E~\.\lSi 0'" (Sl.<,s, ptM~;~)

+ Wolke und breitet sich nicht in das Bett aus. Das Blasengas bildet einen stabilen Wirbelring und bleibt segregiert vom Rest des Gases, das durch das Bett strömt. Die Zirkulationsströmung innerhalb der Blase wirkt als Bypass für das Fluid.

d /d = c b

ub + 2u O (22 )

Abb .1~ schnelle Gasblase , wenn

u b '> U o Der von oben nach unten strömende Feststoff (ub>uO) reißt das an

der Gasblase oben austretende Blasengas nach unten, wo es wieder

in die Blase eintritt.

3 . 2 Fa 11 ub~O_~(..::l:..:a::n~g.::..:.s.:;a.;.;,m;..:e_G....;a_s_b_l_a_s_e __ )

Abb.13

in der Gasblase ist hier (ub<un ) ~er . Strömungswiderstand FW für aas ~lu1d.kle1-ner als in der Suspension ~e1n Te11 des schnellen Fluids (Gas) strömt bevor­zugt durch die Gasblase.

langsame Gasblase, wenn

ub<uO

4. Nachlauf (Schleppe)

Jede aufsteigende Gasblase bildet hinter sich ein Wirbelgebiet (Nachlauf). durch das der Feststoff nach oben (d.h. in x-Richtung) mitgerissen wird ~ Feststoff-Vermischung in einer Wirbel­schicht erfolgt vorwiegend durch die Blasen:

-'------- ci. rz -------j i I

Abb.1~ Feststoffzirkulation in einer Wirbelschicht, bedingt durch den Nachlauf aufsteigender Gasblasen

Feststoffvermischung

Erfolgt durch Blasenbewegung und turbulente Schwankungen: sehr vollständige Vermischung durch Fick'sche Diffusion (Diffusionsmodell) mit einem effektiven Diffusionskoeff .. Feststoffvermischung ist die Ursache für die i.a. einheitl. Temp.-verteilung (Rechteckprdll) in Wirbelschichten. Der Feststoff durchströmt das Fließbett jedoch nicht

in Kolbenströmung.

Gasvermischung

Ebenfalls keine Kolbenströmung. In der homogenen Suspensionsphase:

Gas unterliegt turbulenten Schwankungen. Zusätzlich starke Bypass­Wirkung des Gases durch Zirkulationsströmung in Gasblasen ~eben­falls Diffusionsmodell mit effektivem Diffusionskoeff. Deff :

uO/t. wp hwp IV 1,2 bis 3,4 D eff,a

(23a)

und

D !::::! 1 D eff,r 100 eff,a (23b)

Der Stoffaustausch molekular + turbulent) findet statt zwischen

a) Blase und Wolke (Dbc ) und b) Wolke und Suspensionsphase (0 ): c,e

Abb. AC;; Zum Stoffaustausch zwischen Gasblase und Suspension

lassen sich Entspreche~s-Austauschkoeff. VbC/Vb bzw. Stoffdurchgangs-

koeff. k formulieren: c zwischen Blase (halbkugelförmig) und Wolke:

. 1/4 f.,wp ~ ~

u 0 1 / 2 1

k 7.14 wp 5,46 - = db + g E +1 5/4 Vb c oc d b b wp

(23c)

und zwischen Wolke- und Suspensionsphase:

. Vb ' ,c

. V c,e

6.78 (23d)

Austausch-Volumenströme zwischen Blase und Wolke,

bzw. zwischen Wolke und Suspension

Volumen der Gasblase

spezifische Grenzfläche (Austauschfläche)

Diese Zusammenhänge haben große Bedeutung für Wirbelschichtreaktoren.

2.4 Wanderschicht, Flugstaubwolke und Rieselwolke

Wanderschicht (moving bed): 6p,O(und ~ entsprechen etwa den Ver­

hältnissen im Festbett

Flugstaubwolken (f lash reactor): ()( , {!:> (zwischen Part ikel und Fluid):

entsprechen den Verhältnissen bei der

Einzel-Partikel

Rieselwolken: .1 p gering: rX. , f...... (Partikel/Fluid): entsprechen ,- der

den Verhältnissen bel 1~inzel-Partikel

2.5 Aufwirbeln von Feststoffen in Flüssigkeiten (Rührwerke)

2.5.1 Theorie des Aufwirbelns(Suspendierens)

Zur schnellen Lösung von Feststoffen in Flüssigkeiten oder für eine

voll wirksame feststoffkatalysierte Reaktion müssen die Feststoff­

partikel mit ihrer gesamten Oberfläche mit der Flüssigkeit wechsel­

wirken ~ Feststoffpartikel müssen in der Schwebe gehalten werden

~ dieses wird bei einer bestimmten (kritischen) Rührer-Drehzahl

n erreicht: -cr-

für n > n cr sind alle Partikel aufgewirbelt.

ncr = f(d K , d,Js'S.r' \fs-J'...e.) g, 'P ' Rühr-Gefäßart, Rührerart)

(24a)

Aus Gl.(24a) folgt nach der Ähnlichkeitslehre, die sog. Aufwirblungs­

Charakteristik:

oder

2 u

Fr _ gd

n 2 d cr

g

Re cr

ncrd d K (dK3 9 'V2..

f 2 V.e

Trägheitskraft Schwerkraft

f(Ar, d = (1,r

K (24b)

(fs-J,t) d f ) S.e.

' (1' K

(24c)

n kritische Rührer-Drehzahl cr -Ps Dichte der Partikel

Froude-Zahl 68= S s-j>..f, : Dichtedifferenz

Q Dichte der Flüssigkeit Sf. d Rührerdurchmesser

P Massenanteil des Feststoffes in der Flüssigkeit

" kinemat. Zähigkeit der Flüssigkeit

für Recr > 10 2 (turbulente Strömung) gilt:

(25a)

oder mit Ar _

Fr = a 2 .o,g 'f 0.5 cr 4 ~}~

(25b)

Für ein gegebenes Stoffsystem ~/.f.e=const., f =const.) und gegebener

Rührervorrichtung (a4=const.) ist die kritische Drehzahl n nach cr

Gl.(25b) festgelegt ( Fr =const): cr

2.5.2 Stoffübergang Partikel/Flüssigkeit

( 26)

~: Stoffübergangskoeff.

A Stoffaustauschfläche (Partikel-oberfläche)

6c Konz.diff. zwischen Partikel und Lösung

Es wurde empirisch folgende Stoffübergangs-Charakteristik gefunden:

Sh = d K

f (Ar, Re, Sc, a- ) (27a)

1. Fall: n ~ n : ~~~~~--~~~cr-

nicht nur~, sondern auch die Phasengrenzfläche A mit hier wird

wachsender Rührerdrehzahl n vergrößert, indem immer mehr Partikel

vom Boden aufwirbeln ~ es werden hier nur scheinbar~ (t-werte

gemessen, da in Gl.(26) allein die voll wirksame Gesamt-Phasen­

grenzfläche A eingesetzt werden kann. Außerdem ist f-> abhängig von:

Stoffsystem, d K, Füllungsgrad und Geometrie des Rührwerks.

2. Fall: n=ncr ' d.h. Frcr=const : energiemäßig anzustreben:

hier ist !>unabhängig von Rührbedingungen, d K, allein bestimmt

durch Stoffwerte des Systems:

Sh = 1.2· 10- 2 Ar 1/3 scO. 56 (27b)

oder

(27c)

GIn. (27b) bzw. (27c) gelten auch für die Stoffübergangs-Charak­

teristik in Wirbelschichten(Partikel/Flüssigkeit) bei u >u . IV wp

3. Fall: n> n -------...;;..- cr-hier kann /-> nur noch wenig mit n zunehmen:

Sh

oder

1.07.10 3

also

scO.O B (d /d)0.15 K

c~dKr15((~r08 (:Kf15 (27f)

(27d)

(27e)

3 Kontaktieren von Fluiden mit Fluiden

3.1 Apparate

A,P : Dünnschichtreaktoren, Rieselfilmreaktoren, Fallfilmreaktoren:

sehr guter Wärmeübergang (zwischen Flüssigkeit und Wärmeträger)

z.B. hohe Wärmeab- oder -zufuhr bei exothermen bzw. endothermen

Reaktionen. Wärmeträger kann Gas, öl oder Wasser sein.

kurze Verweilzeiten und kleiner Hold-up für die Flüssigkeit

Forschungsreaktor für Gas/Flüssigkeits-Untersuchungen .. Zwei-

film- und Penetrationstheorie)

z. B. Messung des Stoffübergangskoeff. f.>: /:> wird auch erhöht durch Grenzflächenturbulenzen (Marangoni-Instabi­litäten mit 2 Bereichen: Rollzellenqebiet und Oszil­lations-Gebiet.

r

9

a 9

Dünnschicht - Gegenstromkolonne Gleichstrom-FüUkärperkolonne Sprühturm st-.... 0. h t - ~ er r t. ().L("*", ...

1-----r------!----r-------L---t-______ ......J'---r-______ -l._V-i-evl_-I \.lvi w~ set. Q.("!

Glockenboden

9

o v' o • " c • 0

o , "' .

J ,

Tauchglocke Rührkessel

~~-­",," t', ", "

Blasensäule

b

Schlaufenreaktor

I-~------------~--r---------L-_r----------L-_.----------~~--_,-------------_ .. ----~ I

Siebboden Strahldüsen -rec..k r-

f + 9

e.. Rohrreaktor

~

Ftüssigkeitsringpumpe

Abb. "f6 Kontaktierapparate für Fluide. b) Si:kb~·~=~as; a) KÜhIU~ Eil.\st~cUlf'ok ....

d) e;"'~r~M.t t.) :b~ ~~