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Verfahren und Vorrichtung zur kornanalytischen Schwerkraftklassierung
von körnigen Feststoffen Die Erfindung betrifft das Gebiet der kornanalytischen
und/oder präparativen Schwerkraftklassierung von körnigen Feststoffen bei Trenngrenzen
unterhalb etwa 0,15 mm, bei dem das in den unteren Teil eines senkrechten
Trenn- bzw. Strömungsrohrs aufgegebene Gut mittels eines aufwärts strömenden Trennfluds
in eine von diesem mitgenommene Feingutfraktion und in eine zurückbleibende Grobgutfraktion
getrennt wird.
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Für die Analyse der Korngrößenverteilung (Kornanalyse) von dispersen
Feststoffen sind Analysen-Schwerkraftsichter, z. B. nach Gonell, Bauart Chemisches
Labor für Tonindustrie, bei dem als Trennflud Luft verwendet wird, und sogenannte
Schlämmapparate, die mit einer Flüssigkeit als Trennflud betrieben werden, bekannt.
Bei diesen Klassiervorrichtungen, sogenannten Steigrohrsichtern oder Steigrohrschlämmapparaten,
erfolgt die Klassierung bzw. Trennung nach der Korngröße (genaugenommen nach der
Sinkgeschwindigkeit der Einzelteilchen im Trennflud) in einer aufwärts gerichteten,
das heißt der Schwerkraft entgegengerichteten laminaren Rohrströmung. Damit sich
eine gleichmäßige laminare Rohrströmung mit ausgebildetem Strömungsprofil ausbildet,
haben diese Vorrichtungen relativ lange Trennrohre, deren Länge wenigstens das fünf-
bis zehnfache ihres Durchmessers beträgt. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit
in Rohrmitte ist dort doppelt so groß wie die mittlere, aus Trennfludvolumendurchsatz
und Trennrohrquerschnitt errechnete Geschwindigkeit. Am unteren Rohrende ist im
allgemeinen eine konische Verengung angebracht, die beispielsweise in ein geeignet
ausgebildetes Gefäß mündet, das die zu trennende Probe enthält und in das das Trennflud
mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit eingeführt wird.
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Das am unteren Ende des Trenn- bzw. Steigrohres, das heißt beim Übergang
vom konischen zum zylindrischen Teil aufsteigende Trennflud weist eine Geschwindigkeitsteilung
über dem Trennrohrquerschnitt auf. Die sich einstellende Geschwindigkeitsverteilung
hängt vom öffnungswinkel des Konus und von den in ihm eingestellten Strömungsbedingungen
ab. Dies hat zur Folge, daß über dem Trennrohrquerschnitt sehr unterschiedliche
Trennbedingungen vorliegen. Ferner ändern sich diese über die Rohrlänge, da sich
das am unteren Ende des Trennrohres bis auf Störungen verhältnismäßig gleichmäßige
Strömungsprofil fortlaufend ändert. Ursache ist die sich in Strömungsrichtung ständig
verbreiternde Grenzschicht. Die Strömungsgeschwindigkeiten dieser Zone werden geringer,
die in der Nähe der Rohrachse erhöhen sich. Ansteigende Strömungsgeschwindigkeiten
bewirken einen schnelleren Austrag des mitgenommenen Feingutes, während fallende
Strömungsgeschwindigkeiten ein Zurücksinken des mitgenommenen Feingutes zur Folge
haben. Dieses Zurücksinken bereits zum Feingut gehörender Teilchen in der Randzone
ist ein erheblicher Nachteil bisheriger Konstruktionen.
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Für die auszuführende Trennung ist für ein Einzelteilchen jeweils
die örtliche auf es wirkende und der Schwerkraft entgegengerichtete Strömungsgeschwindigkeit
maßgebend. Ist diese größer als die Sinkgeschwindigkeit des Einzelteilchens im ruhenden
Trennflud bzw. Strömungsmedium, so wird dieses mit der Differenz der beiden Geschwindigkeiten,
der Austragsgeschwindigkeit, nach oben mitgenommen. Je mehr sich die Sinkgeschwindigkeit
der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit nähert, um so geringer ist die Austragsgeschwindigkeit.
Sie wird im Extremfall für die Trennkorngröße, die als die Korngröße definiert ist,
deren Sinkgeschwindigkeit gleich der Anströmgeschwindigkeit ist, zu Null. Teilchen,
die nur wenig kleiner sind als die Trennkorngröße, benötigen deshalb zur Zurücklegung
selbst kurzer Wege verhältnismäßig lange Zeiten, weshalb die bisher üblichen langen
Trenn- bzw. Steigrohre für diese Teilchen zu sehr langen Sichtzeiten führen. Wenn
man die Klassierung über eine sehr lange Versuchzeit fortsetzt, besteht für jedes
Teilchen eine statistische Chance, irgendwann einmal in den Bereich der maximalen
Strömungsgeschwindigkeit des Trennrohres zu kommen, so daß diese nach sehr langer
Zeit die Trennkorngröße für das zu trennende Gut bestimmt. Auch dies führt zu einer
entsprechenden Verlängerung der Sichtzeit. Man hat bisher die Trennkorngröße für
die Schwerkraftklassiervorrichtungen aus der über dem Steigrohrquerschnitt gemittelten
Strömungsgeschwindigkeit
berechnet, die man aus dem Trennfludvolumendurchsatz
und dem Trennrohrquerschnitt ermittelte. Diese ist aber, da tatsächlich ein Geschwindigkeitsprofil
vorliegt, immer kleiner als die für die Trennung maßgebliche Geschwindigkeit. Aus
dem oben Gesagten folgt, daß aber auch die für die Trennung maßgebliche Geschwindigkeit
im Trennrohr nicht berechenbar ist, weil diese von den jeweils im unteren konischen
Ende des Steigrohrs eingestellten Strömungsbedingungen abhängt. Darüber hinaus ist
die Trenngrenze eine Funktion der Zeit, weil sie die Chance bestimmt, mit der alle
Teilchen der die Trenngrenze bestimmenden maximalen Strömungsgeschwindigkeit ausgesetzt
werden. Diese Chance hängt zusätzlich von der Aufgabemenge des zu trennenden Guts
und dessen Kornverteilung ab.
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Den bekannten Klassiervorrichtungen haften damit zwei sehr wesentliche
Nachteile an, nämlich erstens, daß sich die Trenngrenze nicht mit ausreichender
Genauigkeit vorausberechnen läßt und daß, um trennscharfe Klassierungen zu erzielen,
sehr lange Versuchszeiten erforderlich sind. Der erste Nachteil ist besonders gravierend,
da aus den der Bestimmung zugänglichen Versuchsbedingungen die Trenngrenze errechenbar
sein muß. Die langen Versuchszeiten lassen unter anderem nur eine sehr schlechte
Ausnutzung der Klassiervorrichtungen zu. Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung
der den eingangs genannten Schwerkraftanalysenverfahren und -vorrichtungen anhaftenden
Nachteile. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist dadurch gelöst, daß man
bei dem bekannten Schwerkraftklassierverfahren die Trennung in einer Rohreinlaufströmung
mit über dem Strömungsquerschnitt gleichmäßiger Geschwindigkeit (Rechteckprofil)
vornimmt und daß man das Trennflud zusammen mit dem Feingut oberhalb der Trennzone
beschleunigt abzieht. Bei einer stationären Rohreinlaufströmung handelt es sich
um die Strömung am Einlauf eines Rohres. Das bei ungestörter Anströmung im Eintrittsquerschnitt
vorhandene rechteckige Geschwindigkeitsprofil bildet sich mit wachsendem Abstand
vom Einlauf in das parabolische Laminarprofil bzw. in das stärker abgeflachte turbulente
Profil um (siehe z. B. Schlichting, Grenzschichttheorie, Verlag Braun, Karlsruhe,
1951, S. 65 und 205 bzw. 362).
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Konstruktiv läßt sich eine gleichmäßige Rohreinlaufströmung im Trennrohr
am einfachsten durch einen porösen Boden in seinem Einlaßquerschnitt verwirklichen.
Für den porösen Boden kommt vorteilhaft ein Filtermittel (Papier-, Kunstfaserfilter,
Filterplatte od. dgl.) oder ein feinmaschiges Sieb in Frage. Der hohe Druckabfall
bei der Durchströmung des feinporigen Bodens führt zu einer gleichmäßigen Durchströmung
und macht die Ausbildung des Rechteckprofils unabhängig von der Anströmung des Einlaufquerschnitts.
Das bevorzugte beschleunigte Abziehen des Trennfluds zusammen mit dem mitgenommenen
Feingut aus der Trennzone tritt ein, wenn der Strömungsquerschnitt oberhalb des
Trennrohres stetig verkleinert ist, beispielsweise durch Verwendung eines oben offenen
Hohlkegels oder ein sich konisch verengendes Rohr.
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Um in kurzer Zeit trennscharfe Klassierungen zu erzielen, ist die
Länge des Trennrohres, das die Höhe der Trennzone bestimmt, erheblich zu verkürzen.
Bei einer sehr sorgfältig eingestellten Rohreinlaufströmung genügt bereits eine
Trennzone von wenigen Millimetern Höhe, die jedoch aus Herstellungsgründen und zur
Vermeidung von Rückwirkungen auf die gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in
der Trennzone durch am oberen Ende des Steig- bzw. Trennrohres erforderliche Einbauten
geringfügig erhöht wird. Es genügt jedoch im allgemeinen eine Trennzone von wenigen
Zentimetern Höhe. Es ist daher das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Trennrohres
kleiner als eins zu wählen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung und der Betrieb der Trennvorrichtung
sind nicht auf verhältnismäßig niedrige Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. die laminare
Rohrströmung, beschränkt, sondern es können auch höhere Geschwindigkeiten, d. h.
die turbulente Rohrströmung benutzt werden. Auch bei der stationären Rohreinlaufströmung
ist das im Einlaufquerschnitt vorhandene Strömungsprofil ein Rechteckprofil Das
zu trennende Gut wird bei der erfindungsgemäßen Klassiervorrichtung direkt auf den
porösen Boden aufgegeben und, um den Trennflud gleichmäßig angeboten zu werden,
auf diesem gleichmäßig verteilt. Dies kann vor Versuchsbeginn von Hand geschehen.
Ist wenigstens das Trennrohr von , einer Vibrationseinrichtung, wie sie beispielsweise
von Wendelförderern und Prüfsiebmaschinen bekannt ist, getragen und in senkrechte
Längs- und/oder horizontale Drehschwingungen versetzbar, so ist auch während des
Klassiervorgangs eine Verteilung des zu sichtenden Guts auf dem Boden möglich. Dies
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zu trennende Gut kontinuierlich während
der Klassierung aufgegeben wird. Vorteilhaft ist eine Vibrationseinrichtung, bei
der das Trennrohr von drei mit ihrem einen Ende an seiner 'Außenwand befestigten
tangential-und schräggestellten Blattfedern verbunden ist, zwischen denen regelbare
Vibrationsmagnete angeordnet sind. Als Vibrationsmagnete kommen Wechselstrommagnete
in Frage.
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Mittels der Magnete wird der Feststoff auf dem porösen Boden, der
mit dem Trennrohr fest verbunden ist, bewegt und gleichmäßig verteilt. Die Schwingbewegung
unterstützt die Zerteilung von Feingutagglomeraten. Wie experimentell festgestellt
wurde, läßt sich die Desagglomeration weiter verbessern, wenn die Vibrationsmagnete
taktweise nach einem vorgegebenen Programm nacheinander mit unterschiedlicher Stärke
erregt werden. Die Bewegung auf dem porösen Boden wird dadurch noch verstärkt. Bei
den bekannten Schwerkraftanalysensichtern, die mit Luft als Trennflud arbeiten,
besteht die Gefahr des Gutansatzes an dem relativ langen Trennrohr. Man ordnet deshalb
längs des Trennrohres und der unteren konischen Verengung elektrische Klopfer an,
die den Wandansatz verhindern sollen. Die Klopfer arbeiten direkt gegen das metallische
Rohr und erzeugen ein unangenehm lautes und bei längerem Betrieb sehr störendes
Geräusch. Die beschriebene Vibrationseinrichtung versetzt den Boden, der am Trennrohr
befestigt ist, sowie die anderen am Trennrohr befestigten Teile insgesamt in Schwingungen,
so daß Wandansätze praktisch vollkommen vermieden werden und außerdem die Geräuschbelästigung
auf ein Minimum reduziert ist.
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Wie bereits angedeutet, ermöglicht die erfindungsgemäße Klassiervorrichtung
auch die scharfe Trennung eines stetig aufgegebenen Trenngutstroms. Dies ist bei
den üblichen Schwerkraftanalysensichtern
nicht möglich, weil sie
ein etwa parabolisches Strömungsprofil und damit notwendigerweise eine erhebliche
Trennungsschärfe bei kontinuierlichem Betrieb aufweisen. In vielen Anwendungsfällen
ist die stetige kornanalytische und/oder präparative Klassierung des Guts erwünscht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klassiervorrichtung
ist dies dadurch möglich, daß ein zentrales Aufgaberöhrchen für das zu trennende
Gut mit im Verhältnis zum Trennrohrdurchmesser kleinem Durchmesser vorgesehen ist,
das höchstens mit kleinem Abstand oberhalb des Bodens endet. Durch dieses Röhrchen
läßt man das zu trennende Gut mit sehr niedriger Austrittsgeschwindigkeit in die
Trennzone eintreten. Dieses Röhrchen kann von oben oder von unten durch den porösen
Boden in die Trennzone einmünden. Es endet im letzteren Fall in der Nähe der Oberkante
des Bodens. Bei der Naßklassierung, bei der das Gut stetig in einer Flüssigkeit
dispergiert der Trennzone zugeführt wird, ist ein am Ende verschlossenes Aufgaberöhrchen
mit seitlichen Auslaßöffnungen zweckmäßig.
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Bleibt während der kontinuierlichen Trennung eine größere Menge Grobgut
auf dem Boden zurück, so kann das den Klassiervorgang behindern. Dies läßt sich
vermeiden, wenn während des Klassierens das Grobgut kontinuierlich aus der Trennzone
abgezogen wird. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klassiervorrichtung
ist daher eine in Höhe des Zwischenbodens am Außenumfang des Trennrohres angeordnete
ringförmige Grobgutauffangkammer angeordnet, die mit dem Trennrohrinneren durch
wenigstens einen unmittelbar oberhalb des Bodens vorgesehenen niedrigen Schlitz
in Verbindung steht. Mit Hilfe der Vibrationsvorrichtung kann der poröse Boden vorzugsweise
in der Bodenebene und auch senkrecht dazu in Vibrationen versetzt werden, wodurch
die Bewegung des Grobguts vom Zentrum des Zwischenbodens zum Austragsschlitz am
Umfang des Trennrohres vorteilhaft unterstützt werden. Die Bewegung ist auch dann
unterstützt, wenn der poröse Boden zur Mitte hin nach oben gewölbt oder leicht konisch
ausgebildet ist. Diese Anordnung und Verfahrensweise ist für Gas- und Flüssigkeitstrennungen,
also für die kontinuierliche Sichtung oder Schlämmung anwendbar.
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Mündet das konische obere Rohr des Trennrohres direkt in ein Filter
zur quantitativen Abscheidung des vom Trennflud mitgenommenen Feinguts, so läßt
sich der Feingutanteil auch ohne Kenntnis des Grobgutanteils bei Kenntnis der zur
Analyse verwendeten Ausgangsmenge bestimmen. Bei den bekannten Analysengeräten ist
diese Möglichkeit nur sehr unvollkommen gegeben. Es geht immer ein gewisser Feingutanteil
verloren, so daß das gewonnene Feingut für die nachfolgenden Analysen mit niedrigeren
Trenngrenzen nicht mehr quantitativ zur Verfügung steht.
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Die Erfindung ist an Hand von Zeichnungen an zwei vorteilhaften Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die in F i g. 1 dargestellte Klassiervorrichtung ist vorzugsweise
für die Trennung mit Luft als Trennflud ausgebildet. Sie besteht aus einem glatten
kreiszylindrischen kurzen Trennrohr 1, das nach oben in ein sich konisch verengendes
Rohr 2 übergeht, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Trennfluds oberhalb der
Trennzone und als Folge davon die Austragsgeschwindigkeit des mitgenommenen Feinguts
erhöht wird. Eine stetige Abnahme des Strömungsquerschnittes oberhalb der Trennzone
ließe sich bei konstantem Trennrohrdurchmesser auch durch einen mit der Spitze in
das Trennrohr ragenden Kegel bewirken. Es wurde jedoch experimentell festgestellt,
daß ein solcher Kegel oder ähnliche Einbauten die Geschwindigkeitsverteilung in
der Trennzone ungünstig beeinflussen können. Das untere Ende des Trennrohres ist
durch einen porösen Boden 3 abgeschlossen, der beispielsweise als luft- und/oder
flüssigkeitsdurchlässiges Filtermittel, z. B. ein Filterpapier, ausgebildet sein
kann. Unterhalb des Bodens ist ein geschlossener Topf 4 vorgesehen, in den ein nach
unten gebogenes Rohr 5 mündet, durch das das Trennflud unter Überdruck einströmen
und dem Boden gleichmäßig zuströmen kann. Oberhalb des Bodens 3 bildet sich im unteren
Teil des zylindrischen Trennrohres die Trennzone in Form einer gleichmäßigen Rohreinlaufströmung
mit Rechteckprofil aus, in der die eigentliche Trennung stattfindet.
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Auf den Boden wird zur Analyse eine repräsentative Probe des kornanalytisch
zu untersuchenden dispersen Feststoffes aufgebracht, die durch die aus Federsystem
6 und Wechselstrommagnete 7 bestehende Vibrationseinrichtung auf dem porösen Boden
während der Klassierung bewegbar ist. Das vom Trennflud mitgenommene Feingut wird
am Filtermedium 16 eines Filters 8 quantitativ abgeschieden, in das das konische
Rohr der Klassiervorrichtung einmündet. Das Trennflud tritt durch das Filtermedium
16 entweder ins Freie oder in einen geschlossenen Kanal 13 und von dort zu einer
Auslaßöffnung. Das vom Feingut befreite Grobgut bleibt am Ende der Analyse auf dem
porösen Boden 3 zurück und kann nach Entfernen des abnehmbaren Topfs 4 und des Bodens
quantitativ gewonnen werden.
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Die in F i g. 2 dargestellte Klassiervorrichtung kann über eine längere
Zeit kontinuierlich betrieben werden und ist vor allem für die Kornanalyse von in
Flüssigkeit suspendierten Feststoffen geeignet. Sie weist neben den in F i g. 1
beschriebenen Merkmalen ein im Zentrum des Trennrohres angeordnetes, am Ende verschlossenes
dünnes Röhrchen 10 mit seitlichen Auslaßöffnungen 15 auf, durch die die Suspension
kontinuierlich der Trennzone zugeführt werden kann. Der poröse Boden 9 ist auf der
Oberseite schwach konisch ausgeführt, so daß das Grobgut durch Vibrationsförderung
zu einem niedrigen Schlitz 11 am unteren Ende des Trennrohres gelangt und durch
diesen in die ringförmige Grobgutauffangkammer 12 eintritt. Das Feingut kann, wie
in F i g. 1 dargestellt, aufgefangen werden. Außerhalb des Filtermediums ist jedoch
ein geschlossener Kanal 13 vorgesehen, durch den die vom Feingut befreite Trennflüssigkeit
zu einem Auslauf abführbar ist. Das Röhrchen 10 endet hier in einem Trichter 14,
durch den das zu trennende Gut in einem Teil der Trennflüssigkeit dispergiert zugegeben
wird. Der poröse Boden wird durch eine beweglich durch den Boden des Topfes
4 geführte Verbindungsstange 17 in horizontale Dreh- und Vertikalschwingungen
versetzt.