Segregation

Als Segregation bezeichnet man die Entmischung von Schüttgütern, Pulvern oder Granulaten, die nach einem Mischvorgang oder während des Transports, der Lagerung oder der Förderung auftreten kann. Dabei trennen sich die Partikel aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften, wie beispielsweise Partikelgröße, Dichte, Form oder Oberflächenbeschaffenheit, voneinander. Typische Segregationsmechanismen sind Perkolation (auch Siebsegregation genannt), Dichtesegregation, Trägheitssegregation sowie Segregation durch Schüttwinkel- und Fließunterschiede. Segregation tritt häufig beim Befüllen von Silos, beim Schütten, beim pneumatischen Fördern oder durch Vibrationen auf. Sie kann die Homogenität eines Produkts erheblich beeinträchtigen. Zur Beschreibung der Segregation in Feststoffpulvern werden meist kinetische Modelle, kontinuumsmechanische Modelle und empirische Kenngrößen herangezogen. Ein häufig verwendeter Ansatz ist das Advektions‑Diffusions‑Segregations‑Modell. Dieses Modell beschreibt das Zusammenspiel aus gerichteter Entmischung und gegenläufiger Durchmischung.

∂c/∂t = − ∇·(v_s c) +∇·(D_(eff) ∇c)

Dabei steht c für die lokale Konzentration einer Partikelfraktion, v_s für die Segregationsgeschwindigkeit und D_(eff) für den effektiven Dispersionskoeffizienten. Der Term −∇·(v_s c) beschreibt die gerichtete Entmischung, beispielsweise durch Perkolation oder Schwerkrafteinfluss. Der Term ∇·(D_(eff) ∇c) steht für ausgleichende Durchmischung infolge zufälliger Partikelbewegung.

Bei größengetriebener Segregation, bei der kleinere Partikel durch größere hindurchrieseln, wird häufig ein proportionaler Zusammenhang angenommen.

v_s = k · g · (Δd/d_m)      ;     Δd = d_g−d_k)

Dabei steht v_s für die Segregationsgeschwindigkeit, g für die Erdbeschleunigung, d_g für den Durchmesser großer Partikel, d_k für den Durchmesser kleiner Partikel, Δd für die Korngrößendifferenz, d_(mittel) für einen charakteristischen mittleren Durchmesser und k für einen empirischen Proportionalitätsfaktor.

Bei dichtegetriebener Segregation kann analog formuliert werden:

v_s ∝ g ((ρ_s − ρ_L)/ρ_L)

Dabei ist ρ_s die Dichte der Feststoffpartikel und ρ_L die Dichte der umgebenden Phase. Dieser Zusammenhang entspricht einer granularen Auftriebsbetrachtung. Zur quantitativen Bewertung der Entmischung wird häufig ein Segregationsindex definiert.

S = σ / σ_(max)

Dabei ist σ die Standardabweichung der Konzentration, σ_(max) die maximal mögliche Standardabweichung. Bei S = 0 liegt eine ideale Mischung vor, bei S = 1 vollständige Segregation. Für frei fließende Schüttgüter in geneigten Schichten wird häufig das Gray-Thornton-Modell verwendet.

∂c/∂t +∇·(c · u) + ∂/∂z (w_s · c · (1 - c)) = ∇·(D · ∇c)

Hierbei ist u die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, w_s die charakteristische Segregationsgeschwindigkeit und D ein Diffusionskoeffizient. Der Term w_s c (1 − c) beschreibt einen nichtlinearen Segregationsfluss, wie er in granularen Lawinenströmungen auftritt.

In der Praxis der Schüttgutindustrie entsteht Segregation in der Regel durch das Zusammenwirken mehrerer Mechanismen. 

• Perkolation,
• Dichteunterschiede,
• Flugbahnseparation,
• luftinduzierte Fluidisierung sowie 
• Wand- und Randzonenströmungen.