Optimization of an air classifier coupled with triboelectric material sorting for fine powder separation

Die Aufbereitung von Pulvermaterialien spielt in zahlreichen industriellen Anwendungen eine zentrale Rolle – sie umfasst nicht nur die Klassifikation von Partikeln in feine und grobe Fraktionen anhand der Partikelgröße, sondern auch die Materialsortierung unterschiedlicher Substanzen. Hierfür werden vielfach Abweiseradsichter eingesetzt, die in Kombination mit einem elektrostatischen Abscheider (ESP) gleichzeitig triboelektrische Aufladung und Materialsortierung ermöglichen und somit eine zweidimensionale Trennung realisieren. Im ersten Teil dieser Arbeit wird zunächst die eindimensionale, größenbasierte Partikeltrennung ohne Einsatz des ESP untersucht, bevor das gekoppelte System analysiert wird.
Die partikelgrößenbasierte Trennung beruht auf dem Gleichgewicht zwischen zwei durch die Strömungsbewegung erzeugten Kräften: der Widerstandskraft, die die Partikel in Richtung des Sichterszentrums zieht, und der Zentrifugalkraft, die infolge der Rotation der Sichterschaufeln entsteht. Eine gleichmäßige Strömungsverteilung ist daher für eine effiziente Trennung unabdingbar. Mithilfe von numerischen Strömungssimulationen (CFD) sowie experimentellen Untersuchungen werden Herausforderungen identifiziert, die einer hohen Trennschärfe und einer Verringerung des Trennkorns im Wege stehen – etwa die Limitierungen, die durch zu hohe Schaufelndrehzahlen oder zu geringe Durchflussraten entstehen. Zur Behebung dieser Probleme wird eine Optimierung der Betriebsparameter vorgeschlagen, insbesondere durch das ausgewogene Verhältnis von Schaufelndrehzahlen und Durchflussrate, um die Bildung starker Strömungswirbel und die Rückmischung von Partikeln zu verhindern. Ergänzend dazu werden geometrische Modifikationen vorgenommen, etwa durch eine Erweiterung der Schaufeln in Richtung des Sichterszentrums sowie durch eine Anpassung ihrer Krümmung. Diese Veränderungen reduzieren die Wirbelintensität, erhöhen die Trennschärfe und ermöglichen die Erzeugung feinerer Pulver bei geringerem Energieaufwand. Die Ergebnisse zeigen, dass rückwärtsgekrümmte Schaufeln – also solche, die gegen die Strömungsrichtung gebogen sind – im Vergleich zu geraden oder vorwärtsgekrümmten Schaufeln konstant feinere Pulver mit einer höheren Trennschärfe liefern. Zudem verbessert eine Vergrößerung des Umwicklungswinkels der Schaufel die Effizienz bei der Feinpulvertrennung. Insgesamt bietet die CFD-basierte Analyse tiefgehende Einblicke in den Trennprozess und zeigt, wie durch die Optimierung von Betriebs- und Geometrieparametern eine effiziente Partikelklassifikation erreicht werden kann.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die gleichzeitige triboelektrische Aufladung der Partikel während des Klassifikationsvorgangs realisiert – dies erfolgt durch Kollisionen zwischen den Partikeln und den Sichterschaufeln oder anderen Systemkomponenten. Durch gezielte Optimierung von Parametern wie Schaufelndrehzahl und Durchflussrate werden häufige Partikel-Wand-Kollisionen induziert, was die triboelektrische Aufladung verstärkt und eine materialbasierte Trennung anhand der erworbenen Ladung ermöglicht. Dieses duale Trennungssystem bietet die Flexibilität, sowohl die Partikelgrößenverteilung als auch den Materialtyp gezielt zu steuern. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Erhöhung der Durchflussrate oder der Schaufelndrehzahl zu höheren Partikelladungen führt – ein entscheidender Faktor für eine effektive Trennung im elektrostatischen Abscheider. Mit diesem Verfahren konnte eine Anreicherung von etwa 25–35 % bei einem 50:50-Gemisch zweier Materialien erzielt werden.
Neben der Nutzung der triboelektrischen Aufladung innerhalb der Abweiseradsichter wird ein alternatives Verfahren vorgestellt, bei dem durch einen Zyklonlader eine erzwungene triboelektrische Aufladung erzielt wird. Diese Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle sowohl über die Ladungsstärke als auch über die Polarität der Partikelladung und erweitert somit erheblich die Fähigkeit des Systems, mit einer breiten Materialvielfalt umzugehen.