トロンメルスクリーン

トロンメルスクリーンはロータリースクリーンとも呼ばれ、主に鉱物や固形廃棄物処理産業で材料を選別するために使用される機械式ふるい分け機です。^[1]これは、通常は供給端で斜めに持ち上げられた穴あき円筒形のドラムで構成されています。^[2]供給材料が回転ドラムを螺旋状に下降するときに物理的なサイズ分離が実現され、スクリーンの開口部よりも小さい材料はスクリーンを通過し、大きすぎる材料はドラムの反対側から排出されます。^[3]

トロンメル スクリーンは、固形廃棄物の分類や原材料からの貴重な鉱物の回収など、さまざまな用途に使用できます。トロンメルには、同心スクリーン、直列または並列配置など、さまざまなデザインがあり、各コンポーネントにはいくつかの構成があります。ただし、必要な用途に応じて、トロンメルには、振動スクリーン、グリズリー スクリーン、ローラー スクリーン、湾曲スクリーン、旋回スクリーン セパレーターなどの他のスクリーニング プロセスに比べていくつかの利点と制限があります。

トロンメル スクリーンの主な支配方程式には、ふるい分け速度、ふるい分け効率、およびスクリーン内の粒子の滞留時間などがあります。これらの方程式は、設計プロセスの初期段階で行われる大まかな計算に適用できます。ただし、設計は主にヒューリスティックに基づいています。したがって、トロンメル スクリーンの設計では、支配方程式の代わりに設計ルールがよく使用されます。トロンメル スクリーンを設計する場合、ふるい分け効率と生産速度に影響を与える主な要因は、ドラムの回転速度、供給粒子の質量流量、ドラムのサイズ、およびトロンメル スクリーンの傾斜です。トロンメル スクリーンの目的の用途に応じて、ふるい分け効率と生産速度のバランスを取る必要があります。

トロンメルスクリーンは、都市廃棄物業界では、固形廃棄物のサイズを分類するスクリーニングプロセスで使用されています。^[4]それに加えて、燃料由来の固形廃棄物の回収率を向上させるためにも使用できます。これは、細断された固形廃棄物から分離された空気分類された軽量画分から水分や灰などの無機物を除去することによって行われ、それによって製品燃料の品質が向上します。^[5]さらに、トロンメルスクリーンは廃水処理にも使用されます。この特定の用途では、流入する流れからの固形物はスクリーンメッシュ上に沈殿し、液体が一定のレベルに達するとドラムが回転します。スクリーンのクリーンエリアは液体に浸され、捕捉された固形物はコンベア上に落ち、コンベアは除去される前にさらに処理されます。^[6]

トロンメルスクリーンは、貴重な鉱物を回収するための原材料の選別にも使用されます。スクリーンは、粉砕段階で使用するのに適切なサイズの範囲にない微小な材料を分離します。また、下流のプロセスで後続の機械の性能を損なう可能性のある塵粒子を取り除くのにも役立ちます。^[7]

トロンメルスクリーンの他の用途としては、堆肥のふるい分け工程で強化技術として見られる。様々な大きさの堆肥を選別し、汚染物質や不完全な堆肥化残留物を取り除き、様々な用途の最終製品を作る。^[8]これに加えて、食品業界ではトロンメルスクリーンを使用して、様々な大きさや形の乾燥食品を選別する。分類プロセスは、望ましい質量または熱伝達率を達成し、処理不足や過剰処理を回避するのに役立つ。また、ドラムの回転力に耐えるほど強いエンドウ豆やナッツなどの小さな食品もふるい分けることができる。^[9]

トロンメルスクリーンの利用可能な設計の1つは、最も粗いスクリーンが最も内側のセクションに配置された同心円スクリーンです。また、物体が1つのストリームから出て次のストリームに入るように並列に設計することもできます。^[9]直列トロンメルは、各セクションに最も細かいものから最も粗いものまで配置された異なる開口部サイズを持つ単一のドラムです^[10]

トロンメル スクリーンにはさまざまな構成があります。ドラム コンポーネントの場合、ドラムが平らな場所にあるか、5° 未満の角度で持ち上げられているときは、内部ネジが取り付けられます。内部ネジは、物体をらせん状に動かすことで、ドラムを通る物体の移動を容易にします。

傾斜ドラムの場合、物体は持ち上げられ、その後リフター バーの助けを借りてドラムのさらに下に移動されます。そうしないと、物体はゆっくりと転がり落ちます。さらに、リフター バーは物体を揺らして分離します。重い物体がある場合、リフター バーはスクリーンを破損する可能性があるため考慮されません。

スクリーンについては、通常、多孔板スクリーンまたはメッシュスクリーンが使用されます。多孔板スクリーンは、強度を高めるために巻かれて溶接されています。この設計では隆起が少なく、清掃プロセスが容易になります。一方、メッシュスクリーンは、多孔スクリーンに比べて摩耗しやすいため、交換可能です。さらに、この設計では、物体がメッシュの隆起に挟まりやすいため、スクリュー洗浄作業がより集中的になります。^[11]

スクリーンの開口部は正方形か円形のいずれかの形状をしており、これは次のような多くの動作要因^[11]によって決まります。

1. 小型製品の必要な寸法。
2. 開口部の面積。円形の開口部は、正方形の開口部よりも面積が小さくなります。
3. 製品の攪拌の程度。
4. ドラムのクリーンアップ。

トロンメルスクリーンは振動スクリーンよりも製造コストが安く、振動がないため振動スクリーンよりも騒音が少なくなります。トロンメルスクリーンは振動スクリーンよりも機械的に頑丈で、機械的ストレス下でも長持ちします。^{[10] [12]}

しかし、振動スクリーンでは、トロンメルスクリーンに比べて一度にふるい分けられる材料が多くなります。これは、振動スクリーンではスクリーン全体が使用されるのに対し、トロンメルスクリーンではふるい分けプロセス中にスクリーン領域の一部のみが使用されるためです。トロンメルスクリーンは、特に異なるサイズのスクリーン開口部が連続している場合、目詰まりや目詰まりが発生しやすくなります。^[10]目詰まりとは、開口部よりも大きな材料が開口部に詰まったり挟まったりして、望ましくない状態で押し通されることです。^[12]目詰まりとは、湿った材料が固まってスクリーンの表面に付着することです。^[13]振動スクリーンの振動により、目詰まりや目詰まりのリスクが軽減されます。^[13]

グリズリー スクリーンは、傾斜した固定フレーム内に設置された格子または平行な金属棒のセットです。材料の傾斜と経路は通常、棒の長さと平行です。棒の長さは最大 3 m、棒の間隔は 50 ～ 200 mm です。グリズリー スクリーンは、通常、鉱山で輸送またはサイズ削減段階に渡される材料のサイズを制限するために使用されます。

バーの材質は、摩耗を抑えるために通常マンガン鋼です。通常、バーは上部が下部よりも広くなるように形作られているため、バーをかなり深く作ることができ、途中まで通過する塊によってバーが詰まることはありません。

粗い原料（一次破砕機からのものなど）はグリズリーの上端から投入されます。大きな塊は下端（後部排出口）まで転がり滑り、バーの開口部よりも小さいサイズの小さな塊はグリッドを通って別のコレクターに落ちます。

必要な供給速度が高い場合は、トロンメルスクリーンよりもローラースクリーンが好まれます。また、トロンメルスクリーンよりも騒音が少なく、ヘッドルームも小さくて済みます。粘性のある材料や粘着性のある材料は、トロンメルスクリーンよりもローラースクリーンを使用した方が分離しやすいです。^[10]

曲面スクリーンは、トロンメルスクリーンよりも細かい粒子（200～3000μm）を分離することができます。しかし、粒子サイズが200μm未満の場合は結合が発生する可能性があり^[14]、分離効率に影響します。曲面スクリーンのふるい分け速度は、スクリーンの表面積全体が利用されるため、トロンメルスクリーンよりもはるかに高くなります。^[15]さらに、曲面スクリーンでは、供給物が開口部と平行に流れます。これにより、大きな材料のギザギザした表面から緩い材料が分解され、より小さいサイズの粒子が通過するようになります。^[16]

より細かい粒子サイズ（> 40 μm）は、トロンメルスクリーンよりも回転式分離機で分離できます。^[10]回転式スクリーン分離機のサイズは、取り外し可能なトレイで調整できますが、トロンメルスクリーンは通常固定されています。^[17]回転式分離機は、トロンメルスクリーンと同様に、乾いた材料と湿った材料を分離することもできます。ただし、回転式分離機は、乾いた材料または湿った材料のいずれかのみを分離するのが一般的です。これは、回転式スクリーンが最高の分離効率を得るためのさまざまなパラメーターがあるためです。したがって、乾いた材料と湿った材料を分離するには2つの分離機が必要になりますが、1つのトロンメルスクリーンで同じ作業を行うことができます。^[16]

関心のある主なプロセス特性の1つは、トロンメルのふるい分け率です。ふるい分け率は、衝突時に小さめの粒子がスクリーンの開口部を通過する確率に関連しています。^[5]粒子がスクリーンの表面に垂直に落ちるという仮定に基づいて、通過確率Pは次のよ​​うに単純に与えられます^[18]

ここで、は粒子サイズ、は開口部のサイズ（直径または長さ）、は開口部面積とスクリーン総面積の比を表します。式（1）は正方形と円形の開口部の両方に当てはまります。ただし、長方形の開口部の場合、式は次のようになります。^[18]${\displaystyle d}$${\displaystyle a}$${\displaystyle Q}$

ここで、およびは開口部の長方形の寸法を指します。与えられたサイズの間隔の粒子がスクリーンを通過する確率を決定した後、スクリーン内に残る粒子の割合は、次式を使用して求められます。^[5]${\displaystyle a}$${\displaystyle A}$${\displaystyle V}$

ここで、はスクリーン上の粒子の衝突回数である。単位時間当たりの衝突回数が一定であると仮定すると、式（3）は次のようになる。^[5]${\displaystyle n}$${\displaystyle \sigma_{t}}$

スクリーン内に残っている粒子の割合を表す別の方法は、粒子の重量で表すことであり、次のように表される：^[5]

ここで、は、任意の時点でスクリーン内に残っている粒子の所定のサイズ間隔の重量であり、は供給物の初期重量である。したがって、式（4）および（5）から、スクリーニング率は次のように表される：^[5]${\displaystyle W(t)}$${\displaystyle t}$${\displaystyle W(0)}$

スクリーニング効率は、質量重量を使用して次のように計算できます。E=c(fu)(1-u)(cf)/f(cu)^2(1-f)

ふるい分け速度の他に、トロンメルスクリーンの分離効率も興味深い特性である。除去すべき小粒子のサイズ分布関数が分かっていると仮定すると、衝突後に分離されるから小粒子までのすべての粒子の累積確率は単純に次の式で表される：^[18]${\displaystyle f(x)}$${\displaystyle x_{0}}$${\displaystyle x_{m}}$${\displaystyle n}$

さらに、飼料中のこのサイズ範囲内の粒子の総数分率は次のように表される：^[18]

したがって、分離効率は、除去された粒子の割合と供給物中の粒子の総割合の比として定義され、次のように決定することができる。^[18]

トロンメルの分離効率に影響を与える要因はいくつかあるが、その中には次のようなものがある。^[19]

1. トロンメルスクリーンの回転速度
2. 送り速度
3. 回転ドラム内の滞留時間
4. ドラムの傾斜角度
5. スクリーン開口部の数とサイズ
6. 飼料の特徴

このセクションでは、回転スクリーン内の物質の滞留時間について、2 つの単純化した仮定が示されています。まず、スクリーン上で粒子が滑らないものと仮定します。^[5]さらに、スクリーンから剥がれた粒子は自由落下します。ドラムが回転すると、粒子は遠心力によって回転壁と接触した状態になります。^[5]粒子がドラムの上部近くに達すると、半径方向に作用する重力が遠心力に打ち勝ち、粒子はドラムから滝のように落下します。^[2]出発点で粒子に作用する力の成分を図 6 に示します。

離脱角度αは力のバランスによって決定され、次のように表される：^[5]

ここで、はドラムの半径、は回転速度（ラジアン/秒）、は重力加速度、はドラムの傾斜角です。したがって、回転スクリーン内の粒子の滞留時間は以下の式から決定できます。^[5]${\displaystyle r}$${\displaystyle \omega _{t}}$${\displaystyle g}$${\displaystyle \beta }$

ここで、はスクリーンの長さ、は毎分回転数で表したスクリーンの回転、は度数で表した離脱角度を表します。 ${\displaystyle L}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \alpha }$

トロンメルスクリーンは、材料のサイズ分離の効率性から産業界で広く使用されています。トロンメルスクリーニングシステムは、ドラムの回転速度、供給粒子の質量流量、ドラムのサイズ、トロンメルスクリーンの傾斜によって制御されます。^[20]

図 7 に示すように、回転ドラムのメッシュ サイズが粒子のサイズよりも大きいことを考慮すると、粒子の運動速度は、垂直成分と水平成分の 2 つの速度成分に分解できます。粒子の運動と垂直成分の間の角度を とすると、垂直速度と水平速度は次のように表すことができます。 ${\displaystyle V}$${\displaystyle V_{y}}$${\displaystyle V_{x}}$${\displaystyle \theta }$

のとき、粒子は回転ドラムのメッシュから逃げます。しかし、 のときは、粒子は回転ドラム内に留まります。より大きな粒子は、目的の開口部が満たされるまでトロンメルスクリーン内に留まり、同じ粒子挙動を示します。 ${\displaystyle V_{y}>V_{x}}$${\displaystyle V_{y}<V_{x}}$

回転速度が変化すると、ふるい分け効率と生産率への影響は、運動メカニズムの種類によって異なります。これらのメカニズムには、スランプ、カタラクト、遠心分離が含まれます。^[21]

これは、ドラムの回転速度が低い場合に発生します。図 8 に示すように、粒子はドラムの底からわずかに持ち上げられ、自由表面を転がり落ちます。トロンメル本体の壁に近い小さなサイズのフィルター粒子のみがふるい分けられるため、ふるい分け効率が低下します。

回転速度が増加すると、図9に示すように、スランピングはカタラクト運動に移行し、粒子は回転ドラムの上部近くで分離します。ブラジルナッツ効果により、大きな粒子は内面近くに分離しますが、小さな粒子はスクリーン表面近くに留まり、小さなフィルター粒子が通過できるようになります。^[3]この運動により粒子の乱流が発生し、スランピングと比較してスクリーニング効率が高くなります。

回転速度がさらに上昇すると、分離運動が遠心運動に変わり、スクリーニング効率が低下します。これは、図 10 に示すように、遠心力によって回転ドラムの壁に粒子が付着するためです。

^{オッティーノとカハール[21]}によると、粒子の供給流量を増やすとふるい分け効率が低下します。なぜこれが起こるのかはあまりわかっていませんが、この効果はトロンメル本体に詰められたフィルター粒子の厚さに影響されることが示唆されています。

供給流量が速い場合、充填層の下層にある小粒子は指定された開口部でふるい分けられ、残った小粒子は大きな粒子に付着します。一方、供給流量が低い場合、小粒子はトロンメルシステムの顆粒の厚さを通過しやすくなります。

ふるいにかける材料の面積を増やすと、より多くの粒子をろ過することができます。したがって、表面積を増やす機能により、ふるい分けの効率と生産率が大幅に向上します。表面積を増やすには、

^[11]

• ドラムの長さと直径を大きくする
• 開口部のサイズと数を増やす
• 開口部間の隙間/面積を減らす
• リフティングバーを使用して粒子の拡散を増やす

トロンメル スクリーンを設計する際は、傾斜角が大きいほど粒子の生成率が高くなることを考慮する必要があります。傾斜角が大きいほど、図 7 に示すように、粒子速度が増加するため、生成率が高くなります。ただし、その代償として、ふるい分け効率が低下します。一方、傾斜角を小さくすると、トロンメル システム内での粒子の滞留時間が大幅に長くなり、ふるい分け効率が向上します。 ${\displaystyle V}$

ふるい分け効率はトロンメルの長さに正比例するため、望ましいふるい分け効率を達成するには、より短いトロンメルスクリーンとより小さな傾斜角が必要となる。傾斜角は 2° 未満にすべきではないとされている。これは、この角度を超えると効率と生産率が不明であるためである。2° 未満では、特定の操作条件で傾斜角を小さくするとベッドの深さが増し、ふるい分け効率が低下するという現象が発生する。ただし、同時に滞留時間も長くなり、ふるい分け効率が増加する。傾斜角が 2° 未満の場合、どちらの効果がより優勢になるかは不明である。^[3]

廃水処理業界では、トロンメルから排出された固形物はコンベアに沿って移動しながら圧縮され、脱水されます。トロンメルスクリーンの後に、糞便や不要な半固形物を分解するために、ジェット洗浄などの後洗浄処理が行われることがほとんどです。除去前の特性に応じて、固形物の体積は最大40％減少します。^[6]

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