Untersuchungen zur Sortierung von PET-Flakes nach

Untersuchungen zur Sortierung von PET-Flakes
nach der Teilchenform
Investigations into Sorting PET Flakes
by Particle Shape
Etudes du triage des flocons de PET en fonction de
la forme des particules
Análisis para la clasificación de escamas de PET
(polietilentereftalato) según la forma de las partículas
Dr.-Ing. Thomas Friedländer, Neutraubling*) , Prof. Dr.-Ing. habil. Halit Z. Kuyumcu, Dr.-Ing. Lutz Rolf, Berlin**)
Zusammenfassung Beim werkstofflichen Recycling von PET-Flaschen treten in Abhängigkeit von der Teilchenform der durch Zerkleinerung
erzeugten Flakes Qualitätsunterschiede auf, wobei vor allem die Dicke der Flakes von großem Einfluss ist. Um hochwertiges Recyclingmaterial
für die Herstellung von PET-Flaschen zu erhalten, wurden die Möglichkeiten für eine Trennung von Flakes nach geometrischen Merkmalen untersucht. Auf einem Luftherd und mit einem Zickzacksichter wurden vergleichende Sortierversuche durchgeführt. Die Ergebnisse lassen darauf
schließen, dass eine erfolgreiche Sortierung von PET-Flakes nach der Teilchenform im Betriebsmaßstab und damit ein qualitativ hochwertiges
Materialrecycling bei der Herstellung von PET-Flaschen möglich ist.
Summary In the material recycling of PET bottles, differences in quality result depending on the particle shape of the flakes produced by comminution. Particularly the thickness of the flakes has a major influence on the product quality. To obtain high-grade recycled material for the production of PET bottles, possibilities for separation of the flakes based on their geometrical characteristics were investigated. Comparative sorting
tests were performed on a pneumatic processing table and in a zigzag separator. From the results, it can be concluded that effective sorting of
PET flakes by particle shape on industrial scale and therefore high-grade material recycling for the production PET bottles are possible.
Résumé Lors du recyclage des matériaux de bouteilles de PET, des différences de qualité se produisent en fonction de la forme des particules
des flocons obtenus par fragmentation, l’épaisseur des flocons exerçant surtout une grande influence. Pour obtenir un matériau de recyclage de
haute valeur en vue de la fabrication de bouteilles de PET, les possibilités d’une séparation en fonction de caractéristiques géométriques ont été
étudiées. Différents essais de triage comparatifs ont été effectués sur une table pneumatique et un séparateur zig-zag. Les résultats permettent
de conclure que de bons résultats de triage des flocons de PET peuvent être obtenus en fonction de la taille des particules à l’échelle industrielle
et, par conséquent, un matériau de recyclage de haute qualité pour la fabrication de bouteilles de PET.
Resumen En el reciclaje de las materias primas provenientes de botellas PET se presentan diferencias de calidad según la forma de las partículas
de las escamas producidas por la trituración, siendo de gran influencia especialmente el grosor y, sobre todo, el espesor de las escamas. A fin de
obtener un material de reciclaje de elevada calidad para la fabricación de botellas PET, se analizaron las posibilidades de separación de las escamas según sus características geométricas. En una mesa de lavado neumático y en un separador en zigzag se realizaron ensayos comparativos
de clasificación. Los resultados dejan suponer que es posible alcanzar una clasificación exitosa de escamas PET según la forma de las partículas
a escala industrial y, por ende, un reciclaje de material de alta calidad en la fabricación de botellas PET.
1. Einführung und Aufgabenstellung
1. Introduction and Objective
Grundlage für die Auslegung partikeltechnologischer Prozesse
sind neben der Kenntnis der stoffspezifischen Merkmale auch
Informationen über die Größenverteilung und die Form der Partikel. Gegenüber mineralischen Rohstoffen weisen in Recyclingprozessen verarbeitete Sekundärrohstoffe im Allgemeinen eine
wesentlich größere Formenvielfalt auf. Teilweise besteht ein Zusammenhang zwischen Form und Stoffmerkmalen, oder es ist ein
Einfluss der Form auf den Ablauf mechanischer, chemischer oder
thermischer Weiterverarbeitungsprozesse gegeben.
Auch beim werkstofflichen Recycling von PET-Flaschen treten
in Abhängigkeit von der Teilchenform der durch Zerkleinerung
erzeugten Flakes Qualitätsunterschiede auf, wobei vor allem
die Dicke der Flakes von großem Einfluss ist. Um ein hochwertiges Recyclingmaterial für die Herstellung von PET-Flaschen zu
The basis for the design of particle-technological processes is a
knowledge of the material-specific characteristics as well as information on the size distribution and shape of the particles. Compared to mineral resources, the secondary raw materials processed in recycling operations generally consist of particles in a
much wider variety of shapes. In some cases, a correlation exists
between the particle shape and material characteristics, or the
particle shape influences further mechanical, chemical or thermal
processing.
In the material recycling of PET bottles, differences in quality result depending on the particle shape of the flakes produced by
comminution. Particularly the thickness of the flakes has a major
influence on the product quality. To obtain high-grade recycled
material for the production of PET bottles, possibilities for separa-
*) Krones AG, Neutraubling
**) TU Berlin, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik und
Aufbereitung
(www.tu-berlin.de/fak3/aufbereitung)
*) Krones AG, Neutraubling
**) TU Berlin, Department of Mechanical Process Engineering
and Solids Processing
(www.tu-berlin.de/fak3/aufbereitung)
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AUFBEREITUNGS TECHNIK 47 (2006) Nr. 8-9
Durchgang in %
Partikel-Durchmesser in mm / Particle diameter in mm
Bild 1: Teilchendurchmesserverteilung der PET-Flakes
Fig. 1: Particle diameter distribution of the PET flakes
erhalten, wurden Untersuchungen mit dem Ziel durchgeführt,
Möglichkeiten für eine Trennung von Flakes nach geometrischen
Merkmalen zu erschließen.
Im Rahmen grundsätzlicher Überlegungen zur Optimierung der
Betriebsabläufe sollten die prozessrelevanten geometrischen
Merkmalsverteilungen der Flakes ermittelt werden. Ziel war es,
hieraus Hinweise auf mögliche verfahrenstechnische Veränderungen des Prozesses abzuleiten. Vor allem stand eine Aufsplittung des Stoffstromes nach der Materialstärke zur Diskussion. Die
getrennte Weiterverarbeitung von Teilströmen mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen bietet ein großes Optimierungspotenzial gegenüber einer gemeinsamen Verarbeitung.
tion of the flakes based on their geometrical characteristics were
investigated.
As part of basic considerations concerning the optimization of
the processing operations, the process-relevant geometric characteristic distributions of the flakes were determined. The objective was to derive pointers for possible modifications to the process engineering. The possibility of splitting the material stream
based on material thickness was a particular topic of discussion.
The separate further processing of the substreams with their different geometric characteristics offers considerable optimization
potential compared to common processing of all the particles
together.
2. Versuchsmaterial
2. Test Material
Von der Krones AG sind PET-Flakes zur Verfügung gestellt worden,
die bei der Zerkleinerung von PET-Flaschen anfallen. Die obere
Grenze des Korngrößenbereichs der Flakes beträgt 10 mm. Etwa
80 Gew.-% der Flakes liegen im Bereich 2 bis 6 mm vor (Bild 1).
Das Material ist vornehmlich plättchenförmig (Bild 2, oben links),
daneben treten auch kompaktere Teile auf (Bild 2, unten links).
Das Bild von zwei PET-Flaschen (Bild 2, rechts) zeigt, dass die plättchenförmigen Bruchstücke vorwiegend aus dem Wandbereich,
kompakte Teile hingegen eher aus dem Boden- und Halsbereich
der Flaschen stammen. Die
Untersuchung der Wandstärkenverteilung der Flaschen bestätigte dies. Aus der Tabelle
geht hervor, dass etwa 65 bis
70 Gew.-% des Materials aus
den Wandbereichen (Wandstärke < 0,5 mm) und 25 bis
30 Gew.-% aus den Hals- und
Bodenbereichen (Wandstärke
> 1 mm) der Flaschen stammt.
Da die sich aus dem Zerkleinerungsprozess
ergebende
Kornformverteilung mit der
Wandstärkenverteilung des
Aufgabematerials im Zusammenhang steht, ergibt sich
eine etwa entsprechende Verteilung plättchenförmiger und
kompakter Bruchstücke.
Krones AG supplied PET flakes produced by the comminution of
PET bottles. The maximum size of the flakes measures 10 mm.
Around 80 wt.-% of the flakes lie in the size range 2 to 6 mm
(Fig. 1)
Most of the particles are flat and flaky in shape (Fig. 2, top left), but
more compact particles (Fig. 2, bottom left) are also contained in
the material. The image showing two PET bottles (Fig. 2, right)
shows that the flatter fragments come mainly from the bottle walls
while the compact particles tend to come from the base and neck
areas of the bottles. Testing of
the wall thickness distribution
of the bottles confirmed this.
The Table shows that around
65 to 70 wt.-% of the material
comes from the wall areas (wall
thickness < 0.5 mm) and 25 to
30 wt.-% from the neck and base
areas (wall thickness > 1 mm)
of the bottles. As a relationship
must exist between the particle shape distribution after the
comminution process and the
wall thickness distribution of
the feed material, an approximately corresponding distribution of flaky and compact fragments result.
3. Messtechnik
Die Charakterisierung der
Kornform erfolgt üblicher-
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Bild 2: Flakes unterschiedlicher Geometrien und Ursprungsmaterial: a) plättchenförmige Flakes, b) kompakte Flakes,
c) komplette Flaschen
Fig. 2: Flakes of various geometries and original material:
a) flat flakes, b) compact flakes, c) complete bottles
3. Measuring Methods
Particle shape is usually characterized based on characteristic
values (circularity, axial ratio,
convexity, etc.). The basis for
25
Tabelle: Zusammensetzungen großer und kleiner PET-Flaschen
hinsichtlich ihrer Wandstärken
Table: Composition of large and small PET bottles in respect of
their wall thicknesses
Wandstärke
[mm]
Kleine
Flasche
Große
Flasche
thickness
[mm]
Small
bottles
Large
bottles
>1
29,5
26
>1
29.5
26
0,5 – 1
4,5
4
0.5 – 1
4.5
4
< 0,5
66
70
< 0.5
66
70
22,5
46
22.5
46
Massenanteil
kompakte Profile
[Gew.-%]
Massenanteil
Übergänge
[Gew.-%]
Massenanteil
Wände
[Gew.-%]
Gesamtmasse [g]
weise durch Kennzahlen oder -größen (Kreisförmigkeit, Achsenverhältnis, Konvexität usw.). Grundlage hierfür sind unmittelbar
zugängliche geometrische Messgrößen, die dann in unterschiedlicher Weise zueinander in Beziehung gesetzt werden. Je nach
Art und Auslegung des partikelverarbeitenden Prozesses (Stoff-,
Wärme-, Impulsaustausch mit unterschiedlichen Medien bei
unterschiedlichen Bedingungen) wirkt sich auch die Partikelgeometrie unterschiedlich aus. Somit können entsprechend dem
Einsatzzweck der Partikel zur Beschreibung des Einflusses ihrer
Form unterschiedliche Kennzahlen geeignet sein.
Für die Ermittlung der geometrischen Basisgrößen für die Formkennzahlen werden unterschiedliche Messtechniken verwendet.
Überwiegend werden bildanalytische Verfahren eingesetzt, deren
Ergebnisse sich auf eine Projektionsfläche der Partikel beziehen
und somit nur Informationen über ihre zweidimensionale Erstreckung geben. Für eine vollständige Beschreibung der räumlichen
Partikelform hingegen ist auch eine Erfassung der geometrischen
Größen in der Normalrichtung zur Projektionsebene erforderlich.
Mass percentage of
compact profiles
[wt.-%]
Mass percentage of
transitional profiles
[wt.-%]
Mass percentage of
walls
[wt.-%]
Total mass [g]
this characterization are immediately accessible geometric measured values expressed in different relationships to one another.
Depending on the type and design of the particle-processing
method (material, heat, pulse exchange with different media in
different conditions), the geometry of the particles can have different effects. Depending on the purpose of the particles therefore, various characteristics can be suitable to describe the influence of their shape.
Various measurement methods are applied for determination
of the basic geometric values for the shape characteristics. Image analysis methods are most commonly used. The results of
image analysis are related to one projected area of the particles
and therefore only provide information on their two-dimensional
span. For a complete description of the three-dimensional shape
of the particle, however, measurement of the geometric values
perpendicular to the projected plane is necessary. This requires
a more complex measurement. In the shape analysis of the PET
flakes, the determination of the material thickness distribution
Bild 3: Messtechnisch erfasste geometrische Merkmale der Flakes: a) Siebmaschenweite s, b) maximaler Feret-Durchmesser dmax ,
c) maximale Materialstärke d
Fig. 3: Measured geometric characteristics of the flakes: a) aperture size s, b) maximum Feret diameter dmax , c) maximum material
thickness d
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Max. Feret-Durchmesser dmax in mm
Max. Feret diameter dmax in mm
was of particular interest. A combination of different
measurement methods was applied:
• In the first step, the flakes were sized into narrow
particle size ranges on a screen (Fig. 1). The separadmax = f(s), gemessen
tion criterion of screen sizing is that the smallest prodmax = f(s), measured
jected area of the particles lies within the contour of
the square screen aperture and can pass through this.
Borderline particles are very flat particles, the thickness of which is negligible compared to the aperture
size s. These can pass through the screen when their
minimal Feret diameter is smaller than the diagonal of
the square screen aperture (Fig. 3, left). The separation characteristic for screening most of the flakes is the
minimal Feret diameter dmin.
• The mass m of the particles was then determined. From
Siebmaschenweite s in mm / Screen aperture size s in mm
the particle mass and the known density of the material, the particle volume was calculated.
Bild 4: Abhängigkeit des maximalen Feret-Durchmessers dmax von der Sieb• Then the maximal Feret diameter dmax (largest dimenmaschenweite
sion) of the largest projected area of the particles
Fig. 4: Dependence of the maximum Feret diameter dmax on the aperture
(Fig. 3, centre) was determined. This was determined
size
with the aid of an image analysis system. As the light
transmission of the flake did not always allow autoDies erfordert einen größeren messtechnischen Aufwand. Auch
matic measurement, the measurement was performed
bei der Formanalyse der PET-Flakes war die Ermittlung der Mamanually.
terialstärkenverteilung von besonderem Interesse. Es wurde eine
• In addition, the maximum material thickness of the particle d
Kombination unterschiedlicher Messtechniken verwendet:
perpendicular to the largest projected area (Fig. 3, right) was
• Im ersten Schritt wurde eine Siebklassierung der Flakes in enge
measured with the help of a calliper gauge.
Kornfraktionen durchgeführt (Bild 1). Trennkriterium der SiebA total of 12 screened fractions were produced. From each fracklassierung ist, dass die kleinste Projektionsfläche der Partikel
tion, 400 particles (each described by the screen aperture size s)
innerhalb der Kontur der quadratischen Sieböffnung liegt und
were removed. The above-listed characteristics were then deterdiese somit passieren kann. Den Grenzfall bilden sehr flache
mined or assigned to every single particle.
Partikel, deren Dicke gegenüber der Siebmaschenweite s ver-
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Siebmaschenweite s in mm / Screen aperture size s in mm
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4. Particle Shape Distribution
Formfaktor f / Shape factor f
The relationships suitable for characterization of the particle shape are considered in the following. In the first
step of the evaluation, the average values of the various
characteristics determined from the 400 particles of a
screen fraction were studied and related to each other to
obtain basic information on the particle shape distribution. In the second step of the evaluation, the possibility
of sorting based on particle thickness was examined. In
this second step the characteristics assigned to the individual particles were taken into consideration.
Fig. 4 shows the average value of the maximal Feret diameter of the flakes dmax as a function of the aperture
size s. Firstly, it can be derived from this figure that the
maximum length of the flakes within the entire range
Siebmaschenweite s in mm / Screen aperture size s in mm
tested is basically larger than the aperture size.
Bild 5: Abhängigkeit des Formfaktors f (Durchmesserverhältnis) von der If, on the basis of the flake-like geometry, the simplifying assumption is made that the determining screen
Siebmaschenweite s
Fig. 5: Dependence of the shape factor f (ratio of diameters) on the aper- characteristic is not the edge length s of the square
aperture but its diagonal ½ · √2 · s and this corresponds
ture size s
to the minimal Feret diameter dmin of the projected area
of the particles (Fig. 3, left), then in accordance with Eq. (1)
nachlässigbar ist. Diese können das Sieb passieren, wenn ihr
minimaler Feret-Durchmesser kleiner als die Diagonale der
1
l
f = max = m
quadratischen Siebmasche ist (Bild 3, links). Somit ist das
1min s ⋅ 2
Trennmerkmal der Siebung für den überwiegenden Anteil
plättchenförmig vorliegender Flakes der minimale Feret-Durcha ratio of diameters f can be calculated that remesser dmin.
lates the maximal to the minimal dimension and thus
characterizes the shape (f = 1: circle or square, f > 1: e.g.
• Dann erfolgte die Bestimmung der Masse m der Partikel. Aus
ellipse or rectangle). This shape factor is shown in Fig. 5 as a funcihr und der bekannten Dichte des Materials wurde das Partikeltion of the screen aperture size s. The shape factor f decreases
volumen ermittelt.
with increasing aperture size s. The maximum value of f is 2.5
• Anschließend wurde der maximale Feret-Durchmesser dmax
at a screen aperture size s of 1 mm. These particles exhibit a
(größte Ausdehnung) der größten Projektionsfläche der Partipronounced longish and splintery shape. For large flakes, f apkel (Bild 3, Mitte) festgestellt. Dieser wurde mit Unterstützung
proaches the value 1, i.e. within the largest projected area of the
eines Bildanalysesystems ermittelt. Da die Lichtdurchlässigkeit
particles, their dimensions in all directions are approximately
des Flakes teilweise eine automatische Erfassung nicht zuließ,
equal.
erfolgte die Messung von Hand.
In contrast to the steady decrease of the ratio of diameters f
• Außerdem erfolgte die Messung der maximalen Materialstärke
with the aperture size s, the maximum material thickness of the
der Partikel d senkrecht zur größten Projektionsfläche (Bild 3,
flakes d initially increases with increasing aperture size s (Fig. 6),
rechts) mithilfe eines Messschiebers.
reaches a maximum at around s 앒 3 mm and then decreases
Es sind insgesamt 12 Siebfraktionen erzeugt worden. Von jeder
again. The maximum material thickness of the flakes d correwurden 400 Partikel (jeweils gekennzeichnet durch das Merkmal
sponds to the largest dimension of the particle perpendicular to
Siebmaschenweite s) entnommen. Die oben aufgeführten Merkits largest projected area.
male sind dann für jedes einzelne Partikel ermittelt bzw. diesem
In conjunction with the directly measured maximum material
zugeordnet worden.
thickness, from the aperture size s, the maximal Feret diameter
4. Teilchenformverteilung
Materialstärke in mm / Material thickness in mm
Die entsprechenden Zusammenhänge im Hinblick auf
die Charakterisierung der Partikelform werden im Folgenden betrachtet. Im ersten Schritt der Auswertung
sind die Mittelwerte der aus jeweils 400 Partikeln einer
Siebfraktion ermittelten verschiedenen Merkmale untersucht bzw. zueinander in Beziehung gesetzt worden,
um grundsätzliche Informationen über die Partikelformverteilung zu erhalten. Im zweiten Auswertungsschritt
ist die Möglichkeit der Sortierung nach der Teilchendicke untersucht worden. Hierbei wurden jeweils die den
einzelnen Partikeln zugeordneten Merkmale berücksichtigt.
Bild 4 zeigt den Mittelwert des maximalen FeretDurchmessers der Flakes dmax in Abhängigkeit von der Siebmaschenweite s. Dazu lässt sich zunächst ableiten, dass
Siebmaschenweite s in mm / Screen aperture size s in mm
die Maximallänge der Flakes innerhalb des gesamten
untersuchten Bereiches grundsätzlich größer als die SiebBild 6: Abhängigkeit der maximalen und mittleren Materialstärke (d und
maschenweite ist.
db ) von der Siebmaschenweite s
Geht man aufgrund der plättchenförmigen Flakegeometrie vereinfachend davon aus, dass das entscheidende Fig. 6: Dependence of the maximum and average material thickness
(d and db ) on the aperture size s
Siebmerkmal nicht die Kantenlänge s der quadratischen
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f=
1max
(1) 1min
=
lm
s⋅ 2
Massenanteil < d in % / Mass percentage < d in %
Siebmaschen, sondern ihre Diagonale ½ · √2 · s ist und
diese dem minimalen Feret-Durchmesser dmin der Projektionsfläche der Teilchen entspricht (Bild 3, links), so kann
entsprechend Gl. (1)
ein Durchmesserverhältnis f berechnet werden, das die
Maximal- zur Minimalabmessung in Beziehung setzt und
somit die Form charakterisiert (f = 1: Kreis oder Quadrat,
f > 1: z. B. Ellipse oder Rechteck). Dieser Formfaktor ist in
Bild 5 in Abhängigkeit von der Siebmaschenweite s dargestellt. Mit zunehmender Siebmaschenweite nimmt der
Formfaktor f ab. Der Maximalwert von f beträgt 2,5 bei
Maximale Materialstärke d in mm / Maximum material thickness d in mm
einer Siebmaschenweite s von 1 mm. Diese Partikel sind
ausgeprägt länglich und splitterig. Bei großen Flakes nä- Bild 7: Massensummenverteilung der Materialstärke von Flakes in verschiedenen Siebfraktionen
hert sich f dem Wert 1 an, d. h. innerhalb der größten
Projektionsfläche der Partikel ist ihre Ausdehnung in allen Fig. 7: Cumulative mass distribution of the material thickness of flakes in
various screened fractions
Richtungen etwa gleich.
Im Gegensatz zur stetigen Abnahme des Durchmesserdmax and the mass m of the particles, a theoretical average mateverhältnisses f mit der Siebmaschenweite s nimmt die maximale
Materialstärke der Flakes d mit steigender Siebmaschenweite s
rial thickness can be calculated, a constant thickness db being aszunächst zu (Bild 6), erreicht ein Maximum bei etwa s 앒 3 mm
sumed over the entire area. If the simplifying assumption is made
und sinkt dann wieder ab. Die maximale Materialstärke der Flakes
that the particles are elliptical in shape, their mass can be calculated as follows:
m=
π
⋅ s ⋅ 2 ⋅ dmax ⋅ db ⋅ ρ
4
Resolved based on db, the following results:
Verteilungsdichte in % mm /
Distribution density in % mm
db =
Maximum material thickness d in mm / Maximale Materialstärke d in mm
Bild 8: Verteilungsdichten der Materialstärke von Flakes in verschiedenen
Siebfraktionen
Fig. 8: Distribution densities of the material thickness of flakes in various
screened fractions
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(2)
(3)
m
π
⋅ s ⋅ 2 ⋅ dmax ⋅ ρ
4
As m, s and l the density ρ of the material are known from
the measurements, db can be calculated. Depending on
the aperture size, the second curve shown in Fig. 6 is
plotted. The comparison of the two curves shows that
the calculated average thickness db has a similar curve
shape as the directly measured maximum thickness d,
but has, naturally, been shifted to lower values.
The above conclusions are drawn from the average values from 400 particles of each screened fraction. These
average values are calculated, however, from sometimes
very wide characteristic distributions with the fractions.
Fig. 7 shows the mass distributions of the particles within
the individual screen fractions as a function of the maximum thickness d of the PET flakes. Clearly identifiable
29
Massenanteil an Flakes mit d > 0,5 mm in % /
Mass percentage of flakes with d > 0.5 mm in %
are bimodal distributions – characterized by an approximately horizontal curve section between the two areas of
stronger curve gradient.
Fig. 8 shows the corresponding distribution densities. In
Anteil > 0,5 mm bezogen auf die Masse der Fraktion /
Percentage > 0.5 relative to the mass of the fraction
every screen fraction exist two individual particle classes,
which differ – separated by a relatively large intermediate
range – in their material thickness. This is the precondition for good separability according to this characteristic.
If the cut-point for the maximum material thickness is deAnteil > 0,5 mm bezogen auf die Gesamtaufgabe
fined at 0.5 mm, the mass percentages of thicker flakes
Percentage > 0.5 relative to the total feed
as a function of the aperture size shown in Fig. 9 result.
Based on the respective mass of the screen fraction, then,
in accordance with Fig. 6, the maximum percentage of
thicker flakes is obtained at an aperture size s of around
Siebmaschenweite s in mm / Screen aperture size s in mm
3 mm. Based on the total feed, the thicker flakes are distributed approximately evenly within the range 2 mm <
d < 8 mm.
Bild 9: Massenanteile von Flakes > 0,5 mm in Abhängigkeit von der Sieb- In respect of the geometry of the flakes and their distribumaschenweite
tions, the following conclusions can be drawn:
Fig. 9: Mass percentage of flakes > 0.5 mm as a function of the aperture • The particles can be basically described as flat. The
size s
ratio of the maximum thickness to the minimal Feret
diameter of the largest projected area generally falls
below the value 0.5.
d entspricht der größten Ausdehnung der Partikel senkrecht zu
• The shape of the projected area changes with the size of the
ihrer maximalen Projektionsfläche.
flakes. With increasing size, the axial ratio f decreases. In the
Im Zusammenhang mit dieser messtechnisch direkt erfassten
smallest fraction (1–2 mm), it totals 2.5. Here the flakes have a
maximalen Materialstärke kann aus der Siebmaschenweite s,
longish or splintery shape. In the largest fraction (10–12 mm),
dem maximalen Feret-Durchmesser dmax und der Masse m der
the dimensions of the area are approximately equal in all direcPartikel auch eine theoretische mittlere Materialstärke berechnet
tions, the axial ratio tends towards a value of 1.
werden, wobei dann eine über die gesamte Fläche konstante
• Flakes with wall thicknesses > 0.5 mm are basically contained
Dicke db angenommen wird. Wenn vereinfachend vorausgein all screened fractions.
setzt wird, dass die Partikel ellipsenförmig sind, beträgt ihre
• A maximum content of flakes > 0.5 is determined at an aperMasse:
ture size of around 3 mm.
π
m = ⋅ s ⋅ 2 ⋅ dmax ⋅ db ⋅ ρ
(2)
4
5. Tests on the Separability of the PET Flakes based on
their Maximum Material Thickness
Aufgelöst nach db ergibt sich:
db =
m
π
⋅ s ⋅ 2 ⋅ dmax ⋅ ρ
4
(3)
Da aus den Messungen m, s und l sowie die Dichte ρ des Materials bekannt sind, kann db berechnet werden. In Abhängigkeit
von der Siebmaschenweite ergibt sich dann die im Bild 6 dargestellte zweite Kurve. Der Vergleich beider Kurven zeigt, dass
die berechnete mittlere Dicke db einen ähnlichen Verlauf wie die
direkt gemessene maximale Materialstärke d aufweist, jedoch zu
niedrigeren Werten hin verschoben ist.
Die vorstehenden Aussagen sind jeweils aus den Mittelwerten jeder
Siebfraktion abgeleitet. Diese ergeben sich jedoch aus teilweise sehr
breiten Merkmalsverteilungen innerhalb der Fraktionen. Bild 7 zeigt
dieMassenverteilungenderPartikelinnerhalbdereinzelnenSiebfraktionen in Abhängigkeit von der maximalen Materialstärke d der
PET-Flakes. Deutlich sind bimodale Verteilungen – gekennzeichnet durch einen annähernd waagerechten Kurvenverlauf zwischen zwei Bereichen stärkerer Steigung – zu erkennen.
In Bild 8 sind die entsprechenden Verteilungsdichten dargestellt.
In jeder Siebfraktion gibt es zwei einzelne Teilchenklassen, die
sich – getrennt durch einen relativ großen Zwischenbereich – in
ihrer Materialstärke unterscheiden. Das ist Voraussetzung für eine
gute Trennbarkeit nach diesem Merkmal.
Wird der Trennschnitt auf 0,5 mm festgesetzt, so ergeben sich die
in Bild 9 dargestellten Massenanteile dickerer Flakes in Abhängigkeit von der Siebmaschenweite. Bezogen auf die jeweilige Masse
der Siebfraktion ergibt sich in Übereinstimmung mit Bild 6 ein
Maximum dickerer Flakes bei einer Siebmaschenweite von etwa
3 mm. Bezogen auf die Gesamtaufgabe sind die dickeren Flakes
30
Air separation is in principle a suitable method for the dry separation of the PET flakes based on their wall thickness. The separation
criteria of the air separation process are the shape, density and
diameter of the particles. On account of their different interaction with the flow forces, problems can occur with regard to the
sharpness of the separation process if several of these characteristics are variable at the same time. As the density of the flakes is
constant, in this case possibility is restricted to the characteristics
shape and size of the flakes. As already observed in screen sizing, different combinations of these values can lead to particle
misplacement.
A particular problem in the classification of flat particles, like most
PET flakes are, is that they can assume a varying spatial orientation during the time of transport through the separation zone.
In interaction with the local flow conditions, the surface facing
the direction of flow and therefore their flow resistance change.
Unlike in the case of compact particles with approximately equal
dimensions in all three spatial coordinates, no single settling rate
can be assigned to them, but only average values calculated
based on all possible orientations within relatively larger scatter
ranges. This has an adverse effect on the separation efficiency of
the process.
5.1 Simulation of a separation on a pneumatic processing table
Allowing for the aspects discussed above, considerations were
made with regard to designing a separation process to ensure
that the same – respectively the largest – projected area of the
particles always faces air current. This can achieved with the
particles lying on a screen deck as here they naturally assume
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etwa gleichmäßig innerhalb des Bereiches 2–8 mm verteilt.
Hinsichtlich der Geometrie der Flakes sowie deren Verteilungen
lassen sich somit die folgenden Aussagen treffen:
• Die Partikel sind grundsätzlich als flach zu bezeichnen. Das Verhältnis der maximalen Dicke zum minimalen Feret-Durchmesser der größten Projektionsfläche unterschreitet grundsätzlich
den Wert 0,5.
• Die Form der Projektionsfläche ändert sich mit der Größe der
Flakes. Mit zunehmender Größe nimmt das Achsenverhältnis
f ab. In der kleinsten Fraktion (1–2 mm) beträgt es 2,5. Die
Flakes liegen länglich oder splitterig vor. In der größten Fraktion
(10–12 mm) ist die Flächenausdehnung in allen Richtungen
etwa gleich; das Achsenverhältnis strebt dem Wert 1 zu.
• Grundsätzlich sind in sämtlichen Siebfraktionen Flakes mit
Wandstärken > 0,5 mm enthalten
• Ein Maximum von Flakes > 0,5 mm liegt bei einer Siebmaschenweite von etwa 3 mm.
5. Untersuchungen zur Trennbarkeit der PET-Flakes
nach ihrer maximalen Materialstärke
Grundsätzlich bietet sich für die trockene Trennung der PET-Flakes
nach ihrer Wandstärke ein Sichtprozess an. Trennmerkmale sind
dabei die Form, die Dichte und der Durchmesser der Partikel.
Aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen mit den Strömungskräften können Probleme in der Trennschärfe auftreten,
wenn gleichzeitig mehrere dieser Merkmale veränderbar sind. Da
die Dichte der Flakes konstant ist, beschränkt sich diese Überlagerung im vorliegenden Fall auf ihre Form und Größe. Wie bereits
bei der Siebklassierung können dann unterschiedliche Kombinationen dieser Größen zu Fehlausträgen führen.
Eine besondere Problematik bei der Sichtung flacher Partikel,
wie es die PET-Flakes überwiegend sind, besteht darin, dass sie
im zeitlichen Verlauf des Transportes durch den Sichterraum
unterschiedliche räumliche Orientierungen annehmen können.
In Wechselwirkung mit den örtlichen Strömungsverhältnissen
ändert sich ihre Anströmfläche und damit ihr Strömungswiderstand. Anders als bei kompakten Partikeln etwa gleicher Abmessungen in allen drei Raumkoordinaten können ihnen somit keine
einzelnen Sinkgeschwindigkeiten zugeordnet werden, sondern
nur Mittelwerte, die sich aus allen möglichen räumlichen Orientierungen innerhalb größerer Streubereiche ergeben. Dies wirkt
sich ungünstig auf die Trennschärfe des Prozesses aus.
5.1 Simulation einer Luftherdsortierung
Aufgrund dieser Sachverhalte ergab sich die Überlegung, den
Sichtprozess so zu gestalten, dass die Partikel der Strömung stets
eine gleiche – jeweils ihre größte – Projektionsfläche bieten. Das
wird dadurch erreicht, dass sie auf einem Siebboden aufliegen,
AUFBEREITUNGS TECHNIK 47 (2006) Nr. 8-9
Bild 10: Strömungsrohr mit Siebboden und Auffang
Fig. 10: Flow pipe with screen deck and receiver
their most stable position. Air flows through the screen deck in
an upward current. When an equilibrium is reached between the
flow and gravitational forces, the particle begins to float or move.
Such a separation process is applied in industry, based on the use
of pneumatic processing tables.
The following account shows that flat flakes can be sorted based
on their average thickness according to this principle. With the
simplifying assumption that the particles are flat with a constant
thickness, the following applies for the equilibrium of forces
Eq. (4):
cw ⋅
ρAir 2
w ⋅ F = ρParticle ⋅ F ⋅ db ⋅ g
2
(4)
with
cw
ρAir
w
F
ρParticle
d
drag coefficient
density of the air
fluidization velocity
surface of the particles against which the upward current of air flows
density of the particle
thickness of the flaky particles
31
Massenanteil > d in % / Mass percentage > d in %
Aufstromgeschwindigkeit /
Velocity of the upward current
Leichtgut /
Low-gravity material
Schwergut /
High-gravity material
Aufstromgeschwindigkeit /
Velocity of the upward current
Maximale Materialstärke d in mm / Maximum material thickness d in mm
Bild 11: Massensummenverteilung der Materialstärke von Flakes im Leichtund Schwergut nach der Sortierung auf dem Luftherd bei unterschiedlichen Aufstromgeschwindigkeiten
Fig. 11: Cumulative mass distribution of the material thickness of flakes in
the low- and high-gravity material after sorting on the pneumatic
sorting table at different upward current velocities
auf dem sie ihre stabilste Position einnehmen. Der Siebboden
wird in Normalrichtung aufwärts durchströmt. Wenn ein Gleichgewicht zwischen den Strömungs- und Gravitationskräften
herrscht, beginnt das Partikel zu schweben bzw. sich zu bewegen. Ein entsprechender technischer Sichtprozess wird z. B. in
Luftherden durchgeführt.
Die nachfolgende Betrachtung zeigt, dass nach diesem Prinzip
flache Partikel nach ihrer mittleren Dicke sortiert werden können.
Unter der vereinfachenden Annahme, dass es sich um flache Partikel mit einer jeweils konstanten Dicke handelt, gilt für das Kräftegleichgewicht Gl. (4):
ρLuft 2
w ⋅ F = ρPartikel ⋅ F ⋅ db ⋅ g
2
mit
cw
ρLuft
w
F
ρPartikel
d
Widerstandsbeiwert
Dichte der Luft
Fluidisierungsgeschwindigkeit
vertikal angeströmte Fläche der Partikel
Dichte der Partikel
Dicke der flächigen Partikel
(4)
Massenanteil > d in % / Mass percentage > d in %
cw ⋅
The drag coefficient cw can be regarded as a constant.
According to Eck, the drag coefficients of flat particles
with projected surfaces flowed against by an upward
current are independent of the Reynolds number. The
separation points of the flow are fixed for these bodies
as they are limited with sharp edges. Constant cw values
independent of the flow rate result, which depend only
slightly on the geometric shape of the surface:
circular plate
1.11
circular ring, d/D = 0.5
1.22
rectangular plate, a/b =
1
1.1
2
1.15
4
1.19
10
1.29
18
1.4
Between the axial ratios 1 < a/b < 4, a mean value cw =
1.15 can be assumed, which has a deviation of around
+/– 5 % within the range of variation. Assuming a drag
coefficient of cw = 1.15 independent of the contour of
the flat particle surface against which the upward current of air flows and by reducing F, Eq. (5) results:
db =
1.15 ⋅ ρAir ⋅ w 2
ρParticle ⋅ 2 ⋅ g
(5)
For flat, even particles of equal material thickness, there is a definite functional relationship between their thickness and the flow
rate of the upward current of air. A separation of the flakes based
on their thickness is therefore basically feasible according to this
principle.
With the help of an appropriate test set-up, the fluidization rates
were determined for the discrete particles that had already been
tested in respect of their geometric characteristics. The particles were arranged on a fine-mesh screen and the current of air
flowed upwards against them (Fig. 10). The air speeds at which
the particles started to move were determined.
As the mass and the maximum material thickness of all particles with tested fluidization rates were known, the theoretically
Leichtgut / Low-gravity material
Schwergut /
High-gravity material
Der Widerstandsbeiwert cw kann als konstant angenommen werden. Nach Eck sind die Widerstandsbeiwerte flächiger Partikel, die senkrecht zu ihrer Projektionsfläche
angeströmt werden, unabhängig von der Reynoldszahl
[1]. Die Ablösepunkte der Strömung liegen bei diesen
Körpern fest, da sie jeweils scharfkantig begrenzt sind. Es
ergeben sich jeweils von der Strömungsgeschwindigkeit
unabhängige konstante cw-Werte, die nur geringfügig
Materialstärke d in mm / Material thickness d in mm
von der geometrischen Ausbildung der Fläche abhängen:
Bild 12: Massensummenverteilung der maximalen Materialstärke von
Kreisplatte
1,11
Flakes im Leicht- und Schwergut nach der Sortierung im ZickzackKreisring, d/D = 0,5
1,22
sichter bei zwei verschiedenen Aufstromgeschwindigkeiten. Bei
Rechteckige Platte, a/b = 1
1,1
einer idealen Sortierung würden sich die gestrichelt gezeichneten
2
1,15
Verteilungskurven ergeben
4
1,19
Fig. 12: Cumulative mass distribution of the maximum material thickness
10
1,29
of flakes in the low- and high-gravity material after sorting in the
18
1,4
zigzag separator at different upward current velocities. The dotted
Zwischen den Achsenverhältnissen 1 < a/b < 4 kann ein
distribution curves represent the ideal sorting process
Mittelwert cw = 1,15 angenommen werden, der inner-
32
AUFBEREITUNGS TECHNIK 47 (2006) Nr. 8-9
db =
1,15 ⋅ ρLuft ⋅ w 2
ρPartikel ⋅ 2 ⋅ g
(5)
Massenanteil in % / Mass percentage in %
halb des Variationsbereiches eine Abweichung
von etwa +/– 5 % aufweist. Unter der Annahme
eines von der Kontur der flachen Anströmfläche der Partikel unabhängigen Widerstandsbeiwertes von cw = 1,15 und durch Kürzen von F
ergibt sich dann hieraus Gl. (5):
flächig / flat
stückig / lumpy
Bruchstücke aus Materialübergängen / Fragments from the transitional bottle areas
Für flache ebene Partikel jeweils gleicher
Materialstärke besteht ein eindeutiger funktionaler Zusammenhang zwischen ihrer
Dicke und der Aufstromgeschwindigkeit. Somit
kommt grundsätzlich eine Auftrennung der
Flakes entsprechend ihrer Dicke nach diesem
Sortierprinzip in Frage.
Maximale Materialstärke d / Maximum material thickness d
Mithilfe einer entsprechenden Versuchseinrichtung sind dann die Fluidisierungsgeschwindigkeiten für die bereits hinsichtlich der geo- Bild 13: Massensummenverteilung der Materialstärke von Flakes im Aufgabegut
metrischen Merkmale untersuchten einzelnen Fig. 13: Mass distribution of the material thickness of the flakes in the feed material
Partikel bestimmt worden. Hierbei waren die
Partikel auf einem feinmaschigen Sieb angeordnet
achievable separating efficiency on the pneumatic processing taund wurden vertikal angeströmt (Bild 10). Die Luftgeschwindigkeit,
ble at different upward current rates could be calculated.
bei der die Partikel sich zu bewegen begannen, wurde ermittelt.
The results of the calculations for different upward current rates
Da für jedes einzelne der hinsichtlich ihrer Fluidisierungsgeare shown in Fig. 11. With increasing upward current velocity,
schwindigkeit untersuchten Partikel auch die Masse und die mathe percentage of compact particles in the lightweight material
ximale Materialstärke bekannt waren, konnten die theoretisch
increases and the percentage of flaky particles in the high-gravity
erreichbaren Trennergebnisse im Luftherd bei unterschiedlichen
material decreases. For comparison, the separating efficiency of
Aufstromgeschwindigkeiten berechnet werden.
an ideal separation is plotted in a dotted curve.
Die Ergebnisse der Berechnungen für unterschiedliche AufstromThe limited separation efficiency can be explained by deviageschwindigkeiten zeigt Bild 11. Mit zunehmender Aufstromgetions compared to the simplified modelling of the process. In
schwindigkeit nimmt der Anteil kompakter Partikel im Leichtgut
the model assumptions, flat, even particles of constant thickness
zu bzw. der Anteil flächiger Partikel im Schwergut ab. Zum Verare assumed. Theoretically these should be sorted with a high
gleich sind die Trennergebnisse bei einer idealen Trennung als
separation sharpness based on their thickness. In the test, howgestrichelte Kurven eingezeichnet.
ever, the objective was separation of the particles according to
Die begrenzte Trennschärfe erklärt sich aus den Abweichungen
their “maximum material thickness” as this is an important factor
gegenüber der vereinfachenden Modellierung des Prozesses. In
in the process. This is related to the average material thickness,
den Modellannahmen wird von flachen ebenen Partikeln gleichbut within a scatter range. The precondition of even particles
mäßiger Dicke ausgegangen. Diese müssten sich theoretisch mit
was not met either, the flakes were mostly curved, the surface
einer großen Trennschärfe nach ihrer Dicke sortieren lassen. In
against which the upward current of air flowed was therefore
der Untersuchung war das Ziel jedoch eine Sortierung nach dem
smaller than the actual surface. Nor was the assumption of the
verfahrenstechnisch bedeutenden Merkmal „maximale Materialresistance laws for the flow of the upward current of air against
stärke“. Diese steht zwar mit der mittleren Materialstärke im Zueven surfaces justified for all particles as the material thickness of
sammenhang, jedoch innerhalb eines Streubereiches. Auch die
both smaller and thicker particles sometimes lay in order of the
Voraussetzung ebener Partikel war nicht erfüllt. Die Flakes waren
projected dimensions, but other flow profiles resulted nevertheüberwiegend gekrümmt, ihre Anströmfläche deshalb geringer
less. Considering these superimposed influences, the separation
als ihre tatsächliche Fläche. Auch die Annahme der Widerstandssharpness achieved is nevertheless remarkable.
gesetze für die Anströmung ebener Flächen war nicht für alle
AUFBEREITUNGS TECHNIK 47 (2006) Nr. 8-9
33
Partikel gerechtfertigt, da die Materialstärke sowohl bei kleineren
als auch bei dickeren Partikeln teilweise in der Größenordnung
der Projektionsabmessungen lag und sich hieraus andere Strömungsprofile ergaben. In Anbetracht dieser überlagerten Einflüsse ist die erzielte Trennschärfe dennoch bemerkenswert.
5.2 Sortierung im Zickzacksichter
Im Anschluss an die Simulationsrechnungen wurden Sortierversuche mit einem Labor-Zickzacksichter durchgeführt. Die
Beladung wurde so gering gewählt, dass im Hinblick auf eine
größtmögliche Trennschärfe des Prozesses eine gegenseitige Beeinflussung der Bewegungsabläufe der Partikel ausgeschlossen
werden konnte.
Es wurden zwei Versuche mit unterschiedlichen Aufstromgeschwindigkeiten quantitativ ausgewertet. Die Dicken der einzelnen Flakes in den beiden erzeugten Fraktionen wurden mit einem
Messschieber bestimmt und ihre Massenverteilungen ermittelt.
Die Versuchsergebnisse als Summenverteilungen in Abhängigkeit
von der Materialstärke zeigt Bild 12. Für die Aufstromgeschwindigkeit v2 ergab sich ein Fehlgutanteil von < 5 % der Partikelgröße
> 0,5 mm im Leichtgut. Im Schwergut war kein Fehlgutanteil
< 0,5 mm enthalten. Für die Aufstromgeschwindigkeit v1 ergab
sich ein Fehlgutanteil von < 2 % der Größe > 0,5 mm im Leichtgut.
Im Schwergut betrug der Fehlgutanteil 8 % von < 0,5 mm. Die
erreichte Trennschärfe ist wesentlich besser als bei der Herdsortierung und kommt einer idealen Sortierung sehr nahe (siehe Vergleichskurven).
Da die Wandreibungseffekte im Zickzacksichter zwar mit prozessbestimmend sind, aber quantitativ nicht beschrieben wurden,
ist dieses Verhalten nicht von vornherein erwartet worden. Die
überwiegend flachen Flakes können in Wechselwirkung mit den
turbulenten Strömungsbedingungen während des Transportes
durch den Sichterraum des Zickzacksichters unterschiedliche
räumliche Orientierungen annehmen. Dies führt zu mittleren
Sinkgeschwindigkeiten, die in Abhängigkeit von der Geometrie
der einzelnen Partikel mit Streuungen behaftet und analytisch
nicht ohne Weiteres erfassbar sind. Somit lag die Annahme einer
relativ unscharfen Trennung nahe.
Eine mögliche Erklärung für das unerwartet bessere Sortierverhalten des Zickzacksichters gegenüber der Herdsortierung ist, dass der
Aufschluss der PET-Flaschen unzureichend ist. Wie auch die Tabelle
zeigt, entstehen bei der Zerkleinerung nicht nur flache Flakes und
dickere Bruchstücke aus Gewinde und Boden, sondern in Übergangs-bereichen auch Teile, die sowohl flachere als auch dickere
Bereiche umfassen. Diese Grenzpartikel verhalten sich bei der Herdsortierung und der Sortierung im Zickzacksichter unterschiedlich.
Wenn der Massenanteil dickerer Bereiche in diesen Flakes gering
ist, werden diese Partikel bei der Herdsortierung der Fraktion geringerer Wandstärken zugeordnet, da ja der Quotient aus Gesamtmasse und Projektionsfläche der Partikel ausschlaggebend
für diesen Prozess ist.
Im Gegensatz zur Herdsortierung bieten die Partikel bei der Trennung im Zickzacksichter nicht immer ihre größte Projektionsfläche dar, sondern können sich entsprechend ihrer Wechselwirkung
mit der turbulenten Strömung ausrichten. Maßgebend für die
Sortierung ist die sich aus den unterschiedlichen zeitlich verändernden Orientierungen ergebende mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit. Hierbei richten sich Grenzpartikel im Gegensatz
zu rein flächigen Partikeln aufgrund ihrer vorwiegend nicht in der
Mitte liegenden Schwerpunkte eher in Strömungsrichtung aus,
sodass sich der Schwerpunkt unten befindet. Sie erreichen dadurch einen geringeren Strömungswiderstand bzw. höhere Sedimentationsgeschwindigkeiten und werden somit im Gegensatz
zur Herdsortierung der Schwerfraktion zugeordnet.
Die Ursache dieses Effektes veranschaulicht Bild 13. Es besteht
eine eindeutig bimodale Verteilung der Flakes in der Aufgabe hinsichtlich ihrer maximalen Materialstärke mit einem großen Zwi-
34
5.2 Sorting in the zigzag separator
Following the simulation calculations, sorting tests were conducted in a laboratory-scale zigzag separator. A low load was
chosen so that with regard to an optimum separation efficiency
of the process, a mutual influence of the motion of the particles
could be excluded.
Two tests with different upward current velocities were quantitatively assessed. The thicknesses of the individual flakes in the
two fractions produced were measured with a calliper gauge and
their mass distributions determined.
Fig. 12 shows the test results as cumulative distributions as a
function of the material thickness. For the upward current velocity v2, a misplaced percentage < 5 % of the particle size
> 0.5 mm resulted in the low-gravity material. In the high-gravity material there were no misplaced particles < 0.5 mm. At the
upward current velocity v1, < 2 % misplaced particles of the size
> 0.5 mm were determined in the low-gravity material. In the
high-gravity material, the percentage of misplaced particles
< 0.5 mm determined was 8 %. The achieved separation efficiency is much better than that of separation on the pneumatic
processing table and comes very close to an ideal sorting (see the
comparative curves).
As the wall frictional effects in the zigzag separator have a crucial
influence on the process but have not been described quantitatively, this performance was not expected from the outset. The
predominantly flat flakes can assume a different spatial orientation in interaction with the turbulent flow conditions during
transport through the separation zone of the zigzag separator.
This leads to average settling rates that are scattered depending
on the geometry of the individual particles, making them difficult
to analyse. It was therefore logical to assume that separation in
the zigzag separator would be relatively unsharp.
A possible explanation for the unexpected better separation in
the zigzag separator compared to pneumatic table sorting is that
the comminution of the PET bottles is not sufficient. As the Table shows, during comminution not only flat flakes and thicker
fragments from the screw-top thread and base are formed, but
particles with both flatter and thicker areas from the transitional
areas between e.g. the wall and the base of the bottle also result.
These borderline particles behave differently during pneumatic
table sorting and during sorting in the zigzag separator.
If the mass percentage of thicker areas in these flakes is low, these
particles report to the fraction with small wall thicknesses during
table sorting, as the quotient of the total mass and projected area
of the particle is determinant factor for this process.
In contrast to table sorting, during separation in the zigzag separator the particles do not always direct their largest projected
area towards the flow, but orient themselves in interaction with
the turbulent flow. The determining factor for sorting is the average settling rate resulting from the varying particle orientations
over time. In contrast to purely flat particles, on account of their
predominantly off-centre centre of gravity the borderline particles tend to orient themselves in the direction of flow, so that
their centre of gravity is at the bottom. As a consequence, they
achieve a lower flow resistance and higher settling rate, so that
unlike in pneumatic table sorting, they report to the high-gravity
fraction.
The cause of this effect is shown in Fig. 13. A clear bimodal distribution of the flakes in the feed can be identified in respect of
their maximum material thickness, with a large intermediate
interval. Within this interval are fragments from the transitional
areas of the bottles, which contain both flaky and lumpy parts.
Whereas flat and thick fragments can be separated easily, the misplaced particles determined after sorting clearly originate from
these transitional areas. The separating efficiency of the process is
therefore dependent on the geometry and therefore the behaviour of these particular particles.
AUFBEREITUNGS TECHNIK 47 (2006) Nr. 8-9
schenintervall. Innerhalb dieses Intervalls befinden sich Bruchstücke aus Materialübergängen, die sowohl flache als auch stückige
Anteile enthalten. Während flache und dicke Bruchstücke ohne
Weiteres trennbar sind, stammt das bei der Sortierung anfallende
Fehlgut eindeutig aus den Materialübergängen. Die Trennschärfe des Prozesses ist somit abhängig von der Geometrie und damit
dem Verhalten dieser Partikel.
6. Schlussbetrachtungen
Beim werkstofflichen Recycling von PET-Flaschen treten in Abhängigkeit von der Teilchenform der durch Zerkleinerung erzeugten
Flakes Qualitätsunterschiede auf, wobei vor allem die Dicke der
Flakes von großem Einfluss ist. Um ein hochwertiges Recyclingmaterial für die Herstellung von PET-Flaschen zu erhalten, wurden Untersuchungen mit dem Ziel durchgeführt, Möglichkeiten für eine
Trennung von Flakes nach geometrischen Merkmalen zu erschließen. Daraus soll ein Verfahren für eine Sortierung nach der Teilchenform, vor allem nach der Materialstärke, entwickelt werden.
Auf der Grundlage von Untersuchungen zur Ermittlung und Beschreibung von Teilchenformverteilungen wurde die Trennbarkeit
von PET-Flakes nach Form in einer Luftströmung getestet und simuliert. Die nachgewiesene bimodale Verteilung der maximalen
Materialstärke bzw. die damit zusammenhängenden Unterschiede
der Gleichgewichtsbedingungen in einer stationären Luftströmung bilden eine gute stoffliche Voraussetzung für eine Trennung
nach der Teilchenform. Auf einem Luftherd und in einem Zickzacksichter wurden vergleichende Sortierversuche durchgeführt.
Fehlgutausträge werden im Wesentlichen durch Teilchen aus dem
Übergangsbereich zwischen flachen und kompakten Bereichen
der PET-Flaschen und durch die unterschiedlichen Eigenschaften
des Materialtransports im Prozessraum verursacht. Während das
Fehlgut bei der Luftherdsortierung eher der Leichtfraktion zugeführt wird, erfolgt bei der Windsichtung eine Auslenkung in Strömungsrichtung, sodass es dann in der Schwerfraktion anfällt.
Die Sortierbarkeit von PET-Flakes nach Teilchenform durch eine
Windsichtung im Zickzacksichter wurde mit bemerkenswert guter
Trennschärfe nachgewiesen. Im Gegensatz zu üblichen Sortierprozessen durch Windsichtung kann dabei ein sehr breites Kornband
(1–10 mm) aufgegeben werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine
erfolgreiche Sortierung von PET-Flakes nach der Teilchenform im
Betriebsmaßstab und damit ein qualitativ hochwertiges Materialrecycling bei der Herstellung von PET-Flaschen möglich ist.
6. Conclusions
In the material recycling of PET bottles, differences in quality result depending on the particle shape of the flakes produced by
comminution. Particularly the thickness of the flakes has a major
influence on the product quality. To obtain high-grade recycled
material for the production of PET bottles, possibilities for separation of the PET flakes based on their geometrical characteristics were investigated. From the results of these investigations, a
process for a sorting of the flakes by particle shape and primarily
by material thickness was to be developed.
On the basis of tests to determine and describe particle shape
distributions, the separability of PET flakes by shape in a current
of air was tested and simulated. The established bimodal distribution of the maximum material thickness and the associated
differences in the equilibrium conditions in a stationary air flow
form a good material precondition for flake separation based on
particle shape. Comparative sorting tests were conducted on a
pneumatic processing table and in a zigzag separator. The misplaced particles originated essentially from the transitional areas
between the flat and compact areas of the PET bottles and were
caused by the different properties of the material transport in the
separating zone. Whereas the misplaced particles tend to report
to the low-gravity fraction in pneumatic table sorting, in air classification the particles are deflected in the direction of flow so that
they are collected in the high-gravity fraction.
The sortability of PET flakes based on their particle size by air classification in a zigzag separator with remarkably good separation
efficiency was proven. In contrast to the standard sorting processes based on air classification, a very wide particle size range
(1–10 mm) can be fed to the process. From the results of the
investigations, it can be concluded that effective sorting of PET
flakes by particle shape on industrial scale and therefore highgrade material recycling is possible in the production of PET bottles.
Schrifttum/References
[1] B. Eck: Technische Strömungslehre. Springer Verlag, Berlin
(1954)
AUFBEREITUNGS TECHNIK 47 (2006) Nr. 8-9
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