Characterization of the fluid dynamics and discrete particle modelling of a novel spouted bed apparatus
Final Report Abstract
In einer Kooperationsarbeit zwischen dem Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie (TU Hamburg-Harburg) und der Forschungsgruppe Multiscale Modelling of Multiphase Flows (TU Eindhoven) wurde die Gas- und Partikeldynamik von Strahlschichten mit einem rechteckigen Apparatequerschnitt untersucht, wobei das Verhalten der Partikelströmung für trockene und befeuchtete Prozessbedingungen (mit zusätzlicher Einsprühung einer Flüssigkeit) charakterisiert wurde. Die Untersuchungen umfassten experimentelle und numerische Studien mit der CFD-DEM-Kopplung. Es wurden zwei Apparatekonzepte zur Intensivierung der Partikelbewegung und der Eliminierung von Totzonen untersucht: (i) eine prismatische Ausführung des unteren Apparateteils der Anlage in einer Kombination mit justierbaren Gaseigängen und (ii) eine Strahl-Wirbelschicht mit einer zusätzlichen Fluidisation der Rückflusszonen von Partikeln. Für beide Anlagetypen wurde der Einfluss von internen Einbauten auf die Gas- und Partikeldynamik untersucht. Die in Abhängigkeit von Betriebsparametern entstehenden Strömungszustände wurden identifiziert und mit dem jeweiligen zustandstypischen Verhalten des Gasdrucks (Druckfluktuationen) korreliert. Die identifizierten Strömungsarten wurden in Zustandsdiagrammen zusammengefasst, die dimensionslose Kennzahlen beinhalten. Die Partikelströmung wurde für einige ausgewählte Betriebsbereiche simuliert und durch die Auswertung von Simulationen sehr detailliert charakterisiert. Das Strömungsverhalten (Strömungsstabilität) der industriell weit verwendeten prismatischen Strahlschicht wurde verbessert. Dafür wurde der Einfluss der Gasgeschwindigkeit, des Partikelinventars, der Geometrie der Gasanströmeinheit (Gaseingangsgröße und die Geometrie des Zentralprofils) sowie des prismatischen Winkels und der nachgerüsteten Steigplatten untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse dienten der Optimierung der Anlagengeometrie. Weitere Untersuchungen an der prismatischen Geometrie umfassten den Einfluss der Anlagentiefe (geometrische Dimension für die Maßstabsübertragung). Im Rahmen der Untersuchungen zum Einfluss der Einsprühung einer Flüssigkeit wurde ein neuartiges CFD-DEM-Modell mit gekoppelter Wärme- und Stoffübertragung in Kombination mit Flüssigkeitseinsprühung ausgearbeitet und zur Strömungssimulation angewendet. Die Simulationsergebnisse wurden mit Experimenten verglichen, wobei eine einzigartige Kombination von Particle Image Velocimetry (PIV) und Infrarot-Thermographie (IRT) angewendet wurde. Neben den Charakterisierung und Modellierung des Strömungsverhaltens auf der Apparateskala wurden Untersuchungen zur Beschreibung und Modellierung des Kollisionsverhaltens von Einzelpartikeln bei Vorhandensein von Flüssigkeitsschichten durchgeführt.
Publications
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