P. Schmidt, R. Körber, M. CoppersSieben und Siebmaschinen

Sieben und SiebmaschinenPaul Schmidt, Rolf Körber und Matthias CoppersCopyright © 2003 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KG aA, WeinheimISBN: 3-527-30207-7

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Paul Schmidt, Rolf Körber, Matthias Coppers

Sieben und Siebmaschinen

Grundlagen und Anwendung

Prof. em. Dr.-Ing. Paul Schmidtehemals Universität GH EssenInstitut für Apparatetechnik, FB 12Universitätsstr. 2D-45141 EssenGermany

Dr.-Ing. Rolf KörberTechnologÜckendorfer Str. 151D-45327 EssenGermany

Dr.-Ing. Matthias Coppers, Dipl.-Ing. Manfred FischerRHEWUM GmbHRosentalstr. 24D-42899 RemscheidGermany

Dr.-Ing. Ernst Heinrich DreßlerRichard-Wagner-Str. 17D-09599 FreibergGermany

Obering. Norbert ScholzMax-Planck-Str. 9D-67454 HaßlochGermany

Bibliografische Information Der DeutschenBibliothekDie Deutsche Bibliothek verzeichnet diesePublikation in der Deutschen Nationalbibliogra-fie; detaillierte bibliografische Daten sind imInternet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.

© 2003 WILEY-VCH VerlagGmbH & Co. KGaA, Weinheim

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzungin andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil die-ses Buches darf ohne schriftliche Genehmigungdes Verlages in irgendeiner Form – durchPhotokopie, Mikroverfilmung oder irgendeinanderes Verfahren – reproduziert oder in einevon Maschinen, insbesondere von Datenverar-beitungsmaschinen, verwendbare Sprache über-tragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabevon Warenbezeichnungen, Handelsnamen odersonstigen Kennzeichen in diesem Buch berech-tigt nicht zu der Annahme, daß diese von jeder-mann frei benutzt werden dürfen. Vielmehrkann es sich auch dann um eingetrageneWarenzeichen oder sonstige gesetzlich ge-schützte Kennzeichen handeln, wenn sie nichteigens als solche markiert sind.

All rights reserved (including those of transla-tion into other languages). No part of this bookmay be reproduced in any form – by photo-printing, microfilm, or any other means – nortransmitted or translated into a machine lan-guage without written permission from thepublishers. Registered names, trademarks, etc.used in this book, even when not specificallymarked as such, are not to be consideredunprotected by law.Gedruckt auf säurefreiem Papier.

Satz Typomedia GmbH, OstfildernDruck Strauss Offsetdruck, MörlenbachBindung Großbuchbinderei J. Schäffer GmbH & Co KG, Grünstadt

Printed in the Federal Republic of Germany.

ISBN 3-527-30207-7

Inhalt

Vorwort IX

1 Grundlagen des Siebens 11.1 Allgemeine Bemerkungen 11.2 Korngrößenverteilung und Trennschärfe 51.3 Anwendungsgebiete: Eine Übersicht 7

2 Theorie des Siebens 112.1 Rieselsiebung 142.1.1 Haftkräfte zwischen Partikeln 152.1.2 Ultraschallsiebung 172.2 Durchgangswahrscheinlichkeit 182.3 Der Siebvorgang als Reaktion erster Ordnung 192.4 Empirische Siebfunktionen 212.5 Dimensionsanalytische Behandlung des Siebvorganges 222.5.1 Rieselsiebung ohne und mit Vibration 222.5.2 Allgemeine Anwendung der Dimensionsanalyse beim

Sieben 252.6 Wechselwirkung zwischen Korn und Siebmasche 272.7 Schräges Auftreffen auf die Siebfläche 282.8 Strömungssiebung 29

3 Siebmaschinen 313.1 Siebmaschinen mit indirekter Erregung des Siebes 343.1.1 Roste 343.1.2 Wurfsiebe 353.1.2.1 Kreis- und Ellipsenschwingsieb 383.1.2.2 Linearschwingsiebe 383.1.2.3 Mehrdeck-Siebmaschinen 41

V

3.1.2.4 Wahrscheinlichkeitssieb, Sizer 413.1.2.5 Bogen- oder Bananen-Sieb 433.1.2.6 Doppelfrequenz-Siebmaschinen (DF) 433.1.3 Plansiebe 473.1.3.1 Rundsiebe und Taumelsiebmaschinen 503.1.3.2 Rechtecksiebmaschine 523.1.4 Trommelsiebe 523.1.5 Zentrifugalsiebe 573.1.6 Siebhilfen bei indirekt erregten Sieben 593.2 Siebmaschinen mit direkter Erregung des Siebes 603.2.1 Punktförmige Erregung 613.2.2 Linienförmige Erregung 643.2.2.1 Elektromagnetischer Antrieb der Schwingachsen, Bauart WA 653.2.2.2 Taumelrüttler-Antrieb der Schwingachsen 673.2.2.3 Kuppelstangen-Antrieb der Schwingachsen, Bauart M 683.2.2.4 Siebmaschinen flacher Bauform, Bauart WAF 693.2.3 Direkt erregte Bogen-Siebe, arc-Siebe 703.3 Siebmaschinen mit sich verformenden Siebflächen 733.4 Strömungssiebmaschinen 753.4.1 Pneumatische Siebmaschinen 793.4.2 Verwehen einer Siebfläche 813.4.3 Nass-Siebe 833.4.3.1 Nasssieb mit Zusatzbefeuchtung und Doppelfrequenz-

Antrieb 853.4.3.2 Funktionsweise des Doppelfrequenz (DF)-Nasssiebes 863.4.3.3 Einfluss des Doppelfrequenz-Antriebes bei der Nasssiebung 883.4.3.4 Wasserkreislauf 893.4.3.5 Vibrations-Nasstrommelsieb 89

4 Siebung in der Praxis 934.1 Siebflächen 934.1.1 Charakterisierung von Siebgeweben 934.1.2 Reinigung der Siebgewebe 964.2 Mehrdeck-Siebmaschinen 984.2.1 Konstruktiver Aufbau der Mehrdeck-Siebmaschine 994.2.2 Baugrößen der Mehrdeck-Siebmaschine 1014.2.3 Technische Besonderheiten der Mehrdeck-Siebmaschine 1034.2.3.1 Schwingungsparameter 1044.2.3.2 Verspannung 1044.2.3.3 Wartung 1054.2.4 Ausgewählte Ergebnisse und Einsatzbeispiele mit

Mehrdeck-Siebmaschinen 105

InhaltVI

4.2.4.1 Siebklassierung von Basalt-Brechsand 1054.2.4.2 Siebklassierung von Siedesalz im Feinstbereich 1074.2.4.3 Schutzsiebung und Staubabtrennung bei einem chemischen

Produkt 1084.2.5 Weitere verallgemeinerungsfähige Ergebnisse 1094.2.5.1 Einfluss der Maschenweite 1094.2.5.2 Einfluss der Siebdeckanzahl 1104.2.6 Zusammenfassung 1114.3 Beispiele zur praktischen Siebung 1124.3.1 Schutzabsiebung 1134.3.1.1 Anlage zur Erzeugung spritzkornfreier Quarzmehle 1134.3.1.2 Herstellung von spritzkornfreiem Glassand 1154.3.2 Entstaubung 1184.3.2.1 Absiebung von Feinkristallen in der Zuckerindustrie 1184.3.2.2 Entstaubung von Kali-Granulat vor der Verladung 1214.3.3 Klassierung 1224.3.3.1 Klassierung im Mahl- und Siebkreislauf 1224.3.3.2 Klassierung in einem Mahl- und Siebkreislauf mit

Kompaktierpresse 1244.3.3.3 Splittklassierung für bituminöse Fahrbahndecken 1284.3.3.4 Fraktionierung von Schleifmitteln nach dem

FEPA-Standard 1324.4 Analysensiebung 1354.4.1 Einleitung 1354.4.2 Probenahme 1374.4.3 Probenvorbereitung 1394.4.4 Siebanalyse 1414.4.4.1 Handsiebung 1424.4.4.2 Plan-Prüfsiebung 1434.4.4.3 Wurf-Prüfsiebung 1434.4.4.4 Nass-Prüfsiebung 1444.4.4.5 Luftstrahl-Prüfsiebung 1454.4.5 Siebanalysen-Vorschriften 1464.4.6 Siebanalysengerät 1504.4.6.1 Impulsgesteuertes Analysengerät 1504.4.6.2 Luftstrahl-Präzisionssiebe 1534.4.6.3 Analysen-Nass-Siebgeräte 1664.5.6 Auswertung 1694.5.7 Typische Anwendung der Analysensiebung und Beurteilung von

technischen Trennungen 1704.5.8 Versuche 174

Inhalt VII

5 Anhang 1775.1 Literaturverzeichnis 1775.2 Normenübersicht 1795.3 Verwendete Formelzeichen 1825.4 Glossar 184

Register 209

InhaltVIII

Vorwort

Mit einer Ausnahme werden die Grundoperationen der Verfahrenstechnikausführlich in der Fachliteratur beschrieben: Über das Siebklassieren gibtes zwar viele, in Zeitschriften und Büchern verstreute Artikel, aber eineigenes Fachbuch fehlt. Deshalb hat die Firma Rhewum GmbH in Rem-scheid vor etwa zehn Jahren eine Broschüre, die „Siebfibel“, veröffentlicht.Diese hat so großes Interesse gefunden, dass wir sie jetzt zu einemFachbuch über Sieben erweitert haben. Behandelt wird das Sieben alsGrundoperation mit den dazugehörigen Maschinen (Konstruktionen, Sieb-flächen und Betriebsweise). Verständlicherweise stehen Erzeugnisse derFirma Rhewum im Vordergrund; andere Produkte finden aber ebenfallsBerücksichtigung, da eine objektive Behandlung des Siebklassierens unserZiel ist.

Unter Sieben versteht man allgemein das Trennen eines polydispersenStoffes in zwei Fraktionen: größer und kleiner als die Trennkorngröße.Diesen Vorgang nennt man Klassieren. Sind die Fraktionen verschiedeneStoffe, spricht man von Sortieren. Der Begriff Nass-Siebung bezeichnet dasTrennen von Feststoff in Flüssigkeit. Obwohl diese Vorgänge der Mensch-heit seit Jahrtausenden bekannt sind, existiert für das Siebklassieren bisheute keine abgeschlossene Theorie, da eine Vielzahl von Einflussgrößenerfasst werden muss. Deshalb wird das Auslegen einer Siebmaschine weitgehend empirisch vorgenommen. Zweifellos ist es aber sinnvoll, möglichstviel theoretisches Wissen einzubringen, um mit weniger Experimentenauskommen zu können.

In der Praxis erweist sich der Einfluss von Sekundäreffekten wie Feuch-tigkeit, elektrostatische Ladung, Feinstgutgehalt, Kornform oder Trenn-schärfe oft als entscheidend für die Wahl einer Siebmaschine. Für dieangestrebte optimale Siebung müssen alle Faktoren berücksichtigt werden.Meist stellt sich heraus, dass die wirtschaftlichste Siebung auch die opti-male Siebung ist, wobei als Betriebsweise eine stetige Siebung angestrebt

IX

wird. Chargensiebung kommt nur noch für Analysensiebung in Frage.Trockensiebung ist immer die erste Wahl, sofern Nass-Siebung nichtzwingend vorgegeben ist; ähnlich verhält es sich mit mechanischer Siebungund Strömungssiebung.

Einsatzgebiete der Siebmaschinen sind die chemische, metallurgischeund pharmazeutische Industrie sowie die Bereiche Düngemittel, Salze undZucker, ferner Nahrungsmittel, Kunststoff- und Pigmentherstellung. Desweiteren zu nennen ist der Bereich der Steine und Erden mit seinenzahlreichen Zweigen (Kalk, Zement, Grund- und Weißputze usw.). Schließ-lich ist noch die Fein- und Mittelkornsiebung von Kohle und Erzen vonBedeutung.

Dieses Buch wendet sich in erster Linie an die gegenwärtigen undzukünftigen Kunden von Siebmaschinen, seien es Praktiker oder Inge-nieure, aber auch an alle Fachkollegen und nicht zuletzt an Studenten derVerfahrenstechnik. Ich danke allen, die ihr Wissen und ihre Erfahrungeingebracht haben.

Kernen, im Frühjahr 2003 Prof. em. Dr.-Ing. Paul Schmidt

VorwortX

1

Grundlagen des Siebens

1.1Allgemeine Bemerkungen

Zunächst sollen das Sieben und die Siebtechnik definiert und eingeordnetwerden.

Nach der Gewinnung oder Erzeugung von mineralischen, synthetischenoder organischen Roh- und Zwischenprodukten liegt in den meisten Fällenein Schüttgut mit Körnern unterschiedlicher Größe und Form vor. Zurweiteren Aufbereitung müssen diese Körnergemische in unterschiedlicheKorngrößenbereiche oder -klassen getrennt werden. Dies erfolgt mithilfevon Klassierverfahren. Bei jedem Klassiervorgang erhält man zwei Korn-fraktionen unterschiedlicher Größenverteilung, ein Grob- und ein Feingut.Erwünscht ist, dass sich alle Körner, die kleiner sind als die charak-teristische „Trennkorngröße“ xT, im Feingut befinden, alle größeren imGrobgut.

Das einfachste mechanische Klassierverfahren ist das Sieben. Die Tren-nung erfolgt dabei durch häufig wiederholten, statistischen Vergleich dereinzelnen Körner der Größe x mit Sieböffnungen der charakteristischenGröße w (Abbildung 1.1), wobei ein gleichzeitiger Siebguttransport aufmeist bewegten Sieben erfolgt. Die potenzielle Energie des Siebgutesbewirkt bei der meist schwingenden oder rotierenden Siebbodenbewegungein Durchfallen des Feingutes durch die Sieböffnungen. Die Wahrschein-lichkeit, dass ein Korn durch die Sieböffnung fällt, ist um so größer, jekleiner das Verhältnis der Korngröße x zur Weite der Sieböffnung w ist.Wird das Korn annähernd so groß wie die Sieböffnung, kommt es zuProblemen. So können Grenzkörner (0,8 w < x < w) zu einer geringerenSiebleistung führen und schließlich Klemmkörner (w < x < 1,2 w) dieSieböffnungen völlig blockieren. Bei der Siebung im Feinstkornbereich (x <0,5 mm) kommt zusätzlich der Einfluss der Haftkraft (FH ~ x) des Korneshinzu, die kleiner werden kann als dessen Massenkraft (FM ~ x3).

1

Sieben und SiebmaschinenPaul Schmidt, Rolf Körber und Matthias CoppersCopyright © 2003 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KG aA, WeinheimISBN: 3-527-30207-7

Grobgut mG, x > w

Probleme:

Grenzkorn (0.8 w < x < w)führt zu geringer Siebleistung.

Klemmkorn (w < x < 1.2 w) blockiert dieSieböffnungen.

Bei der Feinstsiebung wird die MassenkraftFm ~ x3 viel kleiner als die Haftkraft FH ~ x.

Aufgabem0 = mG0 + mF0

Feingut mF: x < w

wd

x

Nach dieser theoretischen Begriffsbestimmung des Siebens und seinerwichtigsten Probleme wollen wir einen Blick auf die Praxis werfen. StellenSie sich vor, Sie haben die Aufgabe, ein bestimmtes Siebgut zu klassieren.Dabei interessiert Sie nicht, was physikalisch an der Siebfläche vor sichgeht; Sie wollen lediglich wissen, welche Siebmaschine zu beschaffen istund wie man sie einstellen muss, um ein optimales Siebergebnis zuerhalten. Eine solche Information liefert üblicherweise der Hersteller derSiebmaschine. Die meisten Hersteller bieten ein begrenztes Lieferpro-gramm, etwa Wurfsiebe oder Plansiebe, aus dem Sie ein passendes Ange-bot erstellen.

Nun kann Ihr zu siebendes Produkt eines von Tausenden ähnlicherProdukte sein. So ist beispielsweise Quarzsand nicht immer und überallgleich, selbst wenn die Korngrößenverteilung übereinstimmt. Es müssendann weitere Faktoren berücksichtigt werden, etwa Durchsatz, Trenn-schärfe, Feuchtigkeit, Kornform, Verunreinigungen usw.

Zur Lösung eines anstehenden Problems könnte man Informationensehr vieler Siebklassierer mit ähnlicher Aufgabe sammeln und die Antwor-ten mithilfe eines Computers auswerten. Insbesondere durch die Anwen-dung von Statistik wird man dann eine brauchbare Antwort finden. VieleHersteller gehen so vor, legen die gesammelten Daten aber nicht offen.

Abb. 1.1 Sieben als Vergleich der Partikelgröße x des Aufgabe-gutes (m0) mit der Maschenweite w. Trennung in Grobgut (mG)und Feingut (mF); Grenzkorn oder Klemmkorn mit x ≈ w führtzum Blockieren der Sieböffnungen

1 Grundlagen des Siebens2

Aufgabe m0 = mF0 + mG0= Q(x) bzw. q(x) bzw. = x´; n (RRSB) Spez. Siebleistung m* = m/At

in kg/m2 s

Trenngütegradη = mF/mF0

FehlkornanteilηFK = mFG/mG

Überlauf mG + mFG

Durchgang mF

Vibrator

e, ω

xw

d

g β

Sicher werden Sie Angebote einholen, die Sie kritisch vergleichen. WennIhnen das genügt, können Sie sich weiteren Zeitaufwand sparen. Wenn Sieaber grundsätzlich an Basiswissen über den Siebvorgang interessiert sind,als Betreiber ein optimales Siebergebnis erzielen wollen oder gar Siebma-schinen herstellen und entwickeln, dann wird Ihnen der folgende TextHilfestellung bieten können.

Auch bei verfahrenstechnisch optimaler Siebung kann in manchenFällen ein maschinentechnisch unbefriedigendes Ergebnis dazu zwingen,vom der theoretisch optimalen Vorgehen abzuweichen. Maßgebend für dieWahl von Maschinenkonstruktion und -einstellung ist letztlich die Gesamt-wirtschaftlichkeit des Betriebes. So ist etwa für die Wahl zwischen Wurf-oder Plansieb oft die Veränderung des Siebgutes, etwa durch Abrieb,entscheidend.

In den meisten Anwendungsfällen handelt es sich um stetige Siebung,also einen kontinuierlichen Prozess. Wie Abbildung 1.2 zeigt, wird einAufgabestrom m0 über die Siebfläche geführt und in einen FeingutstrommF im Durchgang und einen Grobgutstrom mG im Überlauf getrennt. Das

Abb. 1.2 Vorgänge beim Siebklassieren. Der Schwingungserre-ger (b) bewirkt ein mechanisches Fluidisieren des Gutbettes,das zu einer Schichtbildung des Aufgabegutes m0 und zumTransport entlang des Siebbodens (a) führt. Trennen in ÜberlaufmG und Durchgang mF erfolgt durch Diffusion und Wahrschein-lichkeit unter dem Einfluss von Schwingbeschleunigung a undErdbeschleunigung g. Es sind alle Einflussgrößen aufgezeigt, diefür die Schwingsiebung maßgebend sind

1.1 Allgemeine Bemerkungen 3